Формат данных RS-232

Количество каналов измерения

Перечень сигналов ввода/вывода

Наименование параметра	Объект	Тип датчика	Датчик (прибор)	Число каналов	Диапазон	Точность	Период опроса
Температура криогенная	Накопительный сосуд	Терморезис-тор,	ТСАД	4	300…4,2K	0,1K	2 сек
Уровень He непрерывный	Накопительный сосуд	Линейный уровнемер ПП-1У	КРУС2	3	1.3м	0,001м	«»
Уровень He дискретный	«»	ТВО 500	LN-8	4	«»	«»
Давление	«»	МЕТРАН 100ДИВ modbus	Метран	1	0…10 кPa	0,1%	«»
Вес СТГ	СТГ	ВЭП -300	ВЭП - 300	1	0…300кг	0,1%
Контроль мощности нагревателя W1,2	«»	ДТТ 10А	ДТТ (датчик тока)	1	0…10А.	1%	«»
Контроль вентилей WEKA	«»	Позиционер Arcapro	WEKA	2	0…100%	1%	«»
Каналы дистанционного управления 33
Наименование	Объект	Тип сигнала	Исп. орган	Число каналов	Функция	Диапазон	Время задержки
Упр. потоком He (WEKA)	«»	цифровой(modbus)	пневмопривод	2	Откр./закр.	0…100%	2 сек
Управление Нагревателя ми W1, 2	«»	Цифровой CAN	БУН 100	1	регулирование мощности	0…100 Вт	2 сек

Общее число каналов: 19

В том числе: система сбора данных - 16 каналов,

Система управления - 3 канала.

Из них: аналогового ввода - 0 каналов;

- дискретного ввода - 1 канал;

- дискретного вывода - 2 канала (все в системе управления);

- аналогового вывода - 16 каналов (все в системе управления).

7.2 Описание выбранных блоков управления

Исходя из числа каналов измерения и управления выбираем наиболее подходящие блоки управления:

7.2.1 Блок измерения уровня гелия дискретный

Четырехканальный блок БДУ предназначен для измерения уровня гелия датчиками температуры ТВО. Каждый канал имеет свой управляемый напряжением источник тока 0-5мА, и измерительный ОУ с установленным коэффициентом усиления.

Функционально блок состоит: из гальванически развязанных преобразователей напряжения-ток G1, G2,G3 и G4, управляемого DAC, десять каналов измерения напряжений ADC, встроенного микроконтроллера с обвязкой, гальванически развязанных линий связи CAN, RS-232 или RS-485, устройства адресации блока, выходной линии SP1, источника питания AC/DC.

Считанная и обработанная информация микроконтроллером выдается на верхний уровень через гальванически развязанные линии связи CAN или RS485. Питание цифровой части блока выполнено на базе AC/DC серии KAM0705 с выходными параметрами +5В 1,5А, с защитой от КЗ по выходу и объявленными уровнями пульсаций по напряжению не более 100мВ. Для установки адреса блока на передней панели установлены два DIP-переключателя.

На лицевой панели блока находятся:

- 4 разъема (X10-X13) MCV 1.5/5 для подключения датчиков температуры;

- 2 разъема DB-9 линий связи CAN или RS-485;

- 4 светодиода индикации линий связи CAN и RS-485;

- 2 светодиода индикации вида связи RS-232 и RS-485;

- разъем для вывода информации на индикатор;

- 2 DIP переключателя для установки адреса блока;

- светодиод индикации питания +5В;

- источник питания AC/DC (КАМ0705)

- плавкий предохранитель VP1;

- разъем сетевого питания ~220 В.



Рис.. Внешний вид блока измерения уровня гелия дискретный

Конструктив блока-алюминиевый профиль фирмы BOPLA, с возможностью монтажа на DIN-рейку. Габаритные размеры 180х105х35мм.

7.2.2 Блок уровнемера сжиженного гелия

Линейный уровнемер, представляет собой вертикальный отрезок сверхпроводящего провода из NbZr с нагревателем. Рабочая длина зонда - 110см. Сопротивление датчика Rd = 32 Ом при Т = 293 К. Ток датчика Id 10мА (5-15мА). Ток нагревателя датчика In = 6080мА. Ток перехода уровнемера из СП - состояния в нормальное (в жидком гелии) In 120мА. Сопротивление нагревателя уровнемера Rнагр. = 136 Ом. Ниже приведен график зависимости сопротивления датчика от температуры.

Режим работы с датчиком уровня жидкого гелия:

1. Захолаживание сосуда с датчиком от 300К до 50К, нагреватель обесточен, данные снимаются по линейному уровнемеру.

2. Захолаживание сосуда с датчиком от 50К до 10,5К, нагреватель обесточен, данные снимаются по встроенным датчикам температуры ТСАД.

3. Захолаживание сосуда с датчиком ниже 10,5К, нагреватель включен, данные снимаются по линейному уровнемеру.

4. Работа с данными от встроенных датчиков температуры и линейного уровнемера позволяют провести точную калибровку последнего.

5. Для реализации калибровки линейного уровнемера необходимо предусмотреть возможность изменения токов запитки датчиков и нагревателя, как самого уровнемера, так и встроенных датчиков температуры ТСАД.

Блок измерения жидкого гелия КРУС:

Функционально блок состоит: из гальванически развязанных преобразователей напряжение - ток G1 и G2, управляемых DAC1 и DAC2, четырех каналов измерения напряжений ADC1, встроенного микроконтроллера с обвязкой, гальванически развязанных линий связи CAN, RS232 или RS485, устройства адресации блока, выходной линии SPI, внутреннего датчика температуры DT, источника питания AC/DC.

Каждый канал измерения напряжения состоит из полного инструментального усилителя DA (AD620), имеющего следующие параметры:

- коэффициент подавления синфазной помехи 100Дб;

- напряжение смещения - 50мкВ;

- время установления (до 0,01%) - 15мкс;

- дрейф напряжения смещения - 0,6мкВ/С;

- ток смещения - 1нА;

- уровень шумов - 9нВ/Гц;

- низкое потребление - 1,3мА.

Данные с каждого канала измерения через оптронную развязку ОС считывается 8-разрядным КМОП микроконтроллером ATmega128, основанном на расширенной AVR RISC-архитектуре, и включающего в себя следующие функциональные блоки:

- 8-разрядное арифметическо-логическое устройство (АЛУ);

- внутреннюю флэш-память программ объемом 128 Кбайт с возможностью внутрисистемного программирования через последовательный интерфейс;

- 32 регистра общего назначения;

- внутреннюю EEPROM память данных объемом 4 Кбайт;

- внутреннее ОЗУ данных объемом 4 Кбайт;

- 6 параллельных 8-разрядных портов;

- 4 программируемых таймера-счетчика;

- 10-разрядный 8-канальный АЦП и аналоговый компаратор;

- последовательные интерфейсы UART0, UART0, TWI и SPI;

- блоки прерывания и управления (включая сторожевой таймер).

В состав микроконтроллера входят: высокостабильный кварцевый генератор Q1 на 16мГц, микросхема памяти ОЗУ на 32Кx8, микропроцессорный супервизор со сторожевым таймером МСМ.

Считанная и обработанная информация микроконтроллером выдается на верхний уровень через гальванически развязанные линии связи CAN или RS485. Питание цифровой части блока выполнено на базе AC/DC серии KAM0705 с выходными параметрами +5В 1,5А, с защитой от КЗ по выходу и объявленными уровнями пульсаций по напряжению не более 100мВ. Для установки адреса блока на передней панели установлены два DIP-переключателя.



Рис. Внешний вид блока измерения уровня жидкого гелия KRUS.

На лицевой панели блока находятся:

- разъем MCV 1,5/10 (X12) для подключения линейного уровнемера

- 2 разъема DB-9 линий связи CAN и RS485

- 4светодиода индикации линий связи CAN и RS485

- разъем IND (IDC-10) для вывода информации на индикатор

- 2 DIP переключателя (ADDR) SWD16 для установки адреса блока

- светодиод индикации питания +5В

- плавкий предохранитель VP1

- источник питания AC/DC (KAM0705)

- разъем DFK-MC 1,5/3 (X6) сетевого питания ~220В.

Конструктив блока - алюминиевый профиль фирмы BOPLA, с возможностью монтажа на DIN-рейку. Габаритные размеры 180х105х35 мм.

7.2.3 Блок измерителя температуры ИТ-8К

Блок предназначен для измерения криогенных температур с использованием широко применяемых термодатчиков (с диапазоном сопротивлений от 0,5 до 50000Ом) следующих типов:

- угольных типа АВ, ТВО, сопротивления, которых изменяется в пределах от 1 до 20 000 Ом в диапазоне температур от 2 до 300К.

- полупроводниковых датчиков типа ТСГ (4-170Ом), ТПК (4-45кОм).

- терморезисторы ТСАД (2-1000Ом), ТСП (0,15-100Ом).

Выходной величиной измерителя является сопротивление- дальнейшее преобразование сопротивления в температуру производится на верхнем уровне.

Рис. Внешний вид блока ITR8W.

Блок имеет два встроенных интерфейса связи CAN и RS485.

CAN - осуществляет связь с верхним уровнем.

RS485 - технологический интерфейс. (позволяет оперативно, без извлечения и отключения из системы производить визуальный контроль данных, вставок и т.д., или для перепрограммирования встроенного микроконтроллера).

Визуальный контроль осуществляется при помощи подсоединенного к разъему RS485 ручного тестера с ЖК-индикацией.

Технические характеристики:

- Количество измерительных каналов - 8.

- Схема включения датчиков - четырех проводная.

- Диапазон изменения измерительного тока -1мкА - 3мА.

С шагом I*10D, где I-значения от 0до 9, а D-декада (0,1,2,3).

- Коэффициент усиления - может быть задано:

1*К, 2*К, 4*К, 8*К, 16*К,

где К - начальный коэффициент усиления К=100.

- Время нахождения датчика под измерительным током-35мс.

Максимальное время одного измерения 80мс.

- Погрешность измерения - 0.1%, при длине измерительной линии 100м.

- Исполнение - стандартный корпус от производителя Phoenix Contact, с возможностью монтажа на DIN- рейку.

- Питание - сеть 220В.

- Потребляемая мощность блока -2Вт.

Устройство и работа блока:

Блок ИТР-8 представляет собой 8-канальный измеритель температуры на базе АЦП интегрирующего типа.

Функционально блок размещен на двух платах:

- плата аналоговых сигналов.

- плата контроллера.

В состав платы аналоговых сигналов входят:

- входные аналоговые ключи 16 входов на 1 выход,

- внутренний коммутатор,

- управляемый источник тока,

- инструментальный усилитель с фиксированным коэффициентом усиления (КУ),

- усилитель с управляемым КУ, равным 1,2,4,8,16,

- набор опорных резисторов с коммутаторами,

- устройство выборки-хранения,

- интегратор,

- компаратор,

- устройство фиксирования обрыва токовой линии датчика,

- устройство контроля питающих напряжений -15В и +15В,

- микросхема программируемой логики, где запрограммированы все временные тактирующие и управляющие импульсы, а также счетчики-таймеры,

- преобразователя напряжения +5В в +\-15В

Плата контроллера состоит из:

- микроконтроллера AduC 834,

- гальванически развязанных интерфейсов CAN и RS485,

- устройство считывания адреса блока в данной системе.

7.2.4 Блок автоматического преобразователя интерфейсов АС4

Прибор предназначен для взаимного электрического преобразования сигналов интерфейсов между USB и RS485, RS232, CAN во всех направлениях. Это позволяет одновременно работать от USB с RS485, RS232, CAN. Наличие гальванической развязки портов обеспечивает работу блока с внешними устройствами, не имеющими общего заземления. На разъем RS485 выведено напряжение питания +15В (670мА) для питания внешних устройств.

Блок преобразователя интерфейсов АС-4 (внешний вид представлен на рис.2.) выполнен в пластиковом настольном корпусе с системой вентиляции серии Ultramas от фирмы изготовителя BOPLA [8].

- Потребляемая мощность блока - 14Вт.

- Габаритные размеры 62 х158 х200 мм.

- Масса - 1200 г.

На передней панели блока (рис.3.) находятся:

- 2 разъема DB-9 (X5, X3) линий связи CAN и RS485/RS232;

- разъем USB (X6);

- светодиод индикации режима работы USB;

- 4 светодиода индикации линий связи CAN и RS485 (Rx, Tx);

- 2 светодиода индикации питания +U и +5В.



Рис. 3. Передняя панель блока АС-4.

На задней панели блока (рис.4.) находятся:

- разъем сетевого питания ~220В (X1).

- разъем DB-9 (X4) линии связи RS485.

- 2 светодиода индикации линии связи RS485 (Rx, Tx).

- сетевой выключатель S1 (B100R-BR).

Рис. 4. Задняя панель блока АС-4.

Подключение блока АС-4 к ПК производится с помощью стандартного USB-кабеля. Перед первым подключением прибора к ПК устанавливается драйвер, поставляемый в комплекте с прибором.

Вспомогательное программное обеспечение блока АС-4:

Для индивидуальной работы с блоком АС-4 в лабораторных условиях с использованием LabVIEW (NI Developer Suite) разработана программа АС-4 WISE. Программа автоматически осуществляет поиск подключенного к компьютеру блока.

Рис.7. поиск АС-4.

После успешного обнаружения АС-4, пользователю предлагается выбрать один из трёх каналов/интерфейсов (рис. 8) и скорость передачи данных (рис.9).

Рис.8. Выбор интерфейса.



Рис.9. Выбор скорости передачи.

Основное рабочее окно программы представлено на рис.10. Пользователь сам определяет формат передаваемого кадра, задержку и количество повторений. Кадр запроса, кадр ответа опрашиваемого модуля и время операции отображаются в таблице.

Преобразователь интерфейсов АС-4 в настоящее время используются в системе сбора информации, управления и контроля на установке ССГ и др. Опыт эксплуатации данной аппаратуры показал ее достаточную надежность и удобство в работе.

8.Описание алгоритма работы системы сбора данных ССГ

Алгоритм -- точный набор инструкций, описывающий порядок действий исполнителя для достижения результата решения задачи за конечное время.

Алгоритм работы ССГ представлен ниже в виде блок-схемы.

Рис. Алгоритм работы ССГ

- НС-накопительный сосуд

- Не-гелий

- СТГ-сосуд транспортируемый гелиевый

- РВ-ручной вентиль

- ВЭП 300-весы электронные платформенные (до 300 кг)

Работа системы начинается с конфигурирования блоков и устройств ССГ и графического интерфейса.

На мнемосхеме, разработанной в среде графического программирования LabVIEW, предусмотрено отображение всех электронных блоков системы, а так же предусмотрено оповещение о неполадках системы, что позволяет оператору наблюдать за состоянием системы в режиме реального времени.

Во время определения текущего состояния системы происходит сбор данных о ее состоянии, а именно опрос датчиков уровня КРУС, дискретного уровня типа ТВО, температурных датчиков типа ТСАД, датчика давления Метран 100.

На основании полученных данных можно судить непосредственно о состоянии накопительного сосуда (НС) - наличии или отсутствия в нем сжиженного гелия.

Если сжиженный гелий отсутствует, то оператор дает команду на начало процесса накопления. Во время накопления оператор контролирует наполнение сосуда. Затем происходит выполнение одного из условий:

- если объем сжиженного гелия V?600 л., то оператору поступает сообщение о том, что необходимо дать команду на пневмопозиционер о необходимости закрытия вентиля дистанционного управления, работающего на заполнение системы;

- если объем сжиженного гелия V?50 л., то системы продолжает накапливать гелий;

- если условия наличия сжиженного гелия удовлетворяют условию 600?V?50 л., то оператору поступает сообщение о разрешении открытия РВ (ручного вентиля) и начала наполнения СТГ (сосуда транспортируемого гелиевого).

Если при сборе данных о системе сжиженный гелий уже находился в наличии, то сразу осуществляется проверка выполнения одного из условий, перечисленных выше, для выполнения дальнейших процессов.

При наполнении СТГ оператор или пользователь может контролировать этот процесс, наблюдая его так же на мнемосхеме. Контроль происходит с помощью весов ВЭП-300, на которых находиться сосуд во время наполнения. Это происходит путем постоянного вычитания из текущего веса (вес сосуда с гелием) вес самого сосуда. Получающаяся разность и есть вес гелия.

Pн=Ртек-Рс=Ргел где

Рн-вес настоящий;

Рг-вес гелия;

Рг=Рн;

Ртек-текущий вес (вес сосуда с гелием);

Рс-вес сосуда(пустой сосуд).

Если сосуд наполнен, то на дисплее появляется соответствующее сообщение. Если же нет, то происходит дальнейшее наполнение.

Параллельно происходит контроль наличия сжиженного гелия в НС. При этом должно выполниться одно из условий:

- если объем сжиженного гелия V?50 л., то появляется сообщение о необходимости закрытия РВ;

- если объем сжиженного гелия 600?V?50 л., то возможно наполнение следующего сосуда сжиженным гелием.

IV. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

При работе с системой накопления сжиженного гелия источником опасности является сосуд со сжиженным газом и напряжение в электрической цепи.

При производстве, хранении, транспортировании и использовании криогенных продуктов образуются опасные и вредные производственные факторы, воздействию которых подвержен персонал, обслуживающий криогенное оборудование или находящийся рядом с ним. Действие криогенных продуктов на организм человека определяется их физико-химическими свойствами.

При непосредственном контакте человеческого тела с криогенной жидкостью, ее парами, охлажденной или газовой средой, частями оборудования, трубопроводов, инструмента и конструкций под действием криогенной температуры происходит образования кристаллов льда в живых тканях, что может вызвать их разрыв. Контакт с криогенными продуктами может вызвать ожог участка тела, глаз (вплоть до потери зрения) и легкие обморожения в результате глубокого охлаждения участков тела.

Азот и гелий при атмосферном давлении своим присутствием снижают парциальное давление кислорода воздуха. Гелий при применении под давлением действуют как наркотики.

При работе с криогенными жидкостями возникают вредные и опасные производственные факторы, характерные для криогенных продуктов:

* низкая температура криогенных продуктов;

* самопроизвольное повышение давления криогенных продуктов при их хранении и транспортировке;

* уменьшение концентрации кислорода в зоне дыхания при разрушении криогенного оборудования или проливе криогенной жидкости;

* гидравлические удары, обусловленные появлением паровых полостей в трубопроводах и последующим заполнением их жидкостью.

Специфическими вредными и опасными производственными факторами являются:

* наличие в воздухе токсичных паров и газов криогенных продуктов превышающих ПДК

* контакт органических веществ и материалов с криогенными жидкостями - окислителями и контакт криогенных жидкостей, горючих газов с кислородом или воздухом, что приводит к возгораниям, пожарам или взрывам.

Для обеспечения безопасности работы с криогенными жидкостями необходимы следующие меры:

* очистка криогенных жидкостей в процессе их производства от ацетилена, углеводородов, компрессорных масел с целью предотвращения взрывов;

* периодическая промывка аппаратуры органическими растворителями или водными моющими растворами;

* тщательная очистка исходного газа от кислорода при сжижении водорода (азота) для исключения взрыва аппаратуры с помощью вымораживания или адсорбции.

При хранении и транспортировке криогенных жидкостей необходимо обеспечить высококачественную теплоизоляцию (порошково-вакуумную или экранно-вакуумную).

Сосуды для хранения и транспортирования криогенных жидкостей должны быть оборудованы предохранительными клапанами, разрывными мембранами, а работающие под избыточным давлением - манометрами.

Должны соблюдаться нормы заполнения сосудов криогенными жидкостями (табл. 1), установленные правилами. Наружная поверхность емкостей для криогенных жидкостей должна быть окрашена алюминиевой краской, иметь надписи и отличительные полосы (табл. 2).

Табл. 1. Нормы заполнения сосудов криогенными жидкостями.

Газ	Масса жидкости на 1л емкости сосуда, кг, не более	Вместимость сосуда, на 1 кг газа, л, не менее
Гелий	0,11	9
Азот	0,77	1,3

Табл. 2. Маркировка сосудов для криогенных жидкостей.

Газ	Окраска баллонов	Текст надписи	Цвет надписи	Цвет полосы
Азот	Черная	Азот	Желтый	Коричневый
Гелий	Коричневая	Гелий	Белый	Черный

Сжиженные газы хранят и перевозят в стационарных и транспортных сосудах (цистернах), снабженных высокоэффективной тепловой изоляцией.

Для транспортирования и хранения относительно небольшого количества криогенных жидкостей (от нескольких литров до нескольких десятков литров) используют сосуды Дьюара.

При работе с сосудами Дьюара следует учитывать, что взрывы сосудов Дьюара происходят вследствие плотно закрытой горловины сосуда; закупорки горловины льдом; нарушения вакуумной изоляции сосуда и резкого повышения температуры внутри сосуда; расширения поглощенных адсорбентом газов при обогреве сосудов.

Запрещается:

* перевозить сосуды Дьюара в пассажирском лифте;

* допускать присутствие посторонних лиц на площадке, где находятся сосуды Дьюара во время их заполнения жидкими газами;

* в местах нахождения сосудов Дьюара курить, пользоваться открытым огнем, хранить горючие материалы и вещества. Запрещается также ремонтировать не отогретые сосуды и содержащие криогенные продукты.

Работу с криогенными жидкостями следует выполнять в чистой одежде и средствах индивидуальной защиты.

От радиаторов отопления и других нагревательных приборов сосуды с криогенными жидкостями должны находиться не ближе 1м; от печей и других источников открытого огня - не менее 5м.

В помещении должны соблюдаться требования санитарной гигиены по ГОСТ 12.1.005-88. Помещение должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей десятикратный воздухообмен в 1 ч и чистоту воздуха рабочей зоны помещения. Искусственное освещение должно быть выполнено во взрывозащищенном исполнении

Должны использовать следующие средства защиты при работе со сжиженными газами:

· при высоких концентрациях сжиженных газов необходимо использовать шланговые изолирующие противогазы с принудительной подачей чистого воздуха. При небольших концентрациях используют фильтрующие противогазы марки А (коробка коричневого цвета), марки БКФ (коробка защитного цвета).

· руки работающих со сжиженным газом должны быть защищены асбестовыми или кожаными рукавицами; на ноги следует надевать высокие ботинки с отворотами, глаза и лицо должны быть защищены очками с щитками или прозрачными экранами.

В соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 необходимо соблюдать требования электробезопасности.

1) Защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.

1.1) Защитное заземление следует выполнять преднамеренным электрическим соединением металлических частей электроустановок с "землей" или ее эквивалентом.

1.2) Зануление следует выполнять электрическим соединением металлических частей электроустановок с заземленной точкой источника питания электроэнергией при помощи нулевого защитного проводника.

2) Защитному заземлению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, обеспечивающих электробезопасность.

3) Защитное заземление электроустановок следует выполнять:

при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.

4) В качестве заземляющих устройств электроустановок в первую очередь должны быть использованы заземляющие контуры.

При использовании железобетонных фундаментов промышленных зданий и сооружений в качестве естественных заземлителей и обеспечении допустимых напряжений прикосновения не требуется сооружение искусственных заземлителей, прокладка выравнивающих полос снаружи зданий и выполнение магистральных проводников заземления внутри здания. Металлические и железобетонные конструкции при использовании их в качестве заземляющих устройств должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных конструкциях должны предусматриваться закладные детали для присоединения электрического и технологического оборудования.

5) Допустимые напряжения прикосновения и сопротивления заземляющих устройств должны быть обеспечены в любое время года.

6) Заземляющее устройство, используемое для заземления электроустановок одного или различных назначений и напряжений, должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к заземлению этих электроустановок.

7) В качестве заземляющих и нулевых защитных проводников следует использовать специально предназначенные для этой цели проводники, а также металлические строительные, производственные и электромонтажные конструкции. В качестве нулевых защитных проводников в первую очередь должны использоваться нулевые рабочие проводники. Для переносных однофазных приемников электрической энергии, светильников при вводе в них открытых незащищенных проводов, приемников электрической энергии постоянного тока указанной нормы в качестве заземляющих и нулевых защитных проводников следует использовать только предназначенные для этой цели проводники.

8) Материал, конструкция и размеры заземлителей, заземляющих и нулевых защитных проводников должны обеспечивать устойчивость к механическим, химическим и термическим воздействиям на весь период эксплуатации.

9) Для выравнивания потенциалов металлические строительные и производственные конструкции должны быть присоединены к сети заземления или зануления. При этом естественные контакты в сочленениях являются достаточными.

V. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

Перед проведением рабочего сеанса системы слива сжиженного гелия было предложено исследовать работу дискретного уровнемера с целью определения рабочего тока, при котором термодатчики будут обладать наибольшей чувствительностью. Это необходимо для того, что бы при внезапном отказе основного - линейного уровнемера, можно было более точно ориентироваться по данным дискретного уровнемера.

Рассмотрим более подробно принцип действия дискретного уровнемера.

При работе с устройствами, использующими сжиженный гелий, например, со сверхпроводящими магнитами и т.д., необходимо достаточно точно и надежно измерять уровень сжиженного гелия при минимальных тепловыделениях в жидкости. Важна также надежная работа уровнемера во время подлива или сильного испарения гелия.

В литературе описано большое число датчиков уровня , обладающих рядом недостатков: недостаточной надежностью, чрезмерными тепловыделениями, влиянием магнитных полей, большими габаритами и т.д. Более перспективными с точки зрения устранения перечисленных недостатков являются датчики на основе объемных угольных резисторов.

К датчикам уровня сжиженного гелия обычно предъявляются следующие требования:

- Максимальное изменение регистрируемого сигнала с датчика на границе пар-жидкость при минимальном тепловыделении в жидкости;

- Нечувствительность к изменению параметров паровой фазы.

Ранее для изучения влияния различных факторов на чувствительность датчика была изготовлена и испытана серия датчиков из резисторов сопротивлением 0.1 ч1 кОм при 300К, номинальной мощностью 0.125 и 0.25 Вт.

Были сняты вольтамперные характеристики (ВАХ) датчиков в жидкости и в паре. Для всех исследованных датчиков отмечен резкий (0.1ч0.2 см) скачок показаний при переходе от жидкости к пару, если напряжение на датчике U>Umin ~ 3ч4 В. Показания датчиков вблизи поверхности жидкости и на высоте ~10 см от поверхности практически не отличались.

Проведенные исследования показали, что наибольшей чувствительностью и потенциально более низкими тепловыделениями в жидкости обладают килоомные резисторы. При всех использованных технологиях изготовления датчиков относительное изменение сигнала ДХ/Х с килоомных датчиков не менее чем в 1.5-2 раза превышало ДХ/Х для 100-Ом датчиков. Поэтому для проведения основных исследований были выбраны резисторы с номинальными параметрами 1кОм; 0.125 и 0.25 Вт.

Принцип работы:

Для определения уровня жидкости можно снимать с датчика разность напряжений ДU=Uжидк-Uпар при фиксированном токе через датчик, либо разность токов ДI=Iпар-Iжидк при постоянном напряжении на датчике. В первом случае при погружении датчика в жидкость увеличивается коэффициент теплоотдачи в среду и, следовательно, сопротивление резистора. Увеличение мощности тепловыделения W=I2R(T) препятствует дальнейшему охлаждению датчика.

В паре наблюдается уменьшение выделяемой мощности с уменьшением коэффициента теплоотдачи, вследствие чего нельзя ожидать больших ДU. Во втором случае с увеличением коэффициента теплоотдачи в паре увеличивается мощность тепловыделения. Из ВАХ видно изменение чувствительности при переходе от одной схемы к другой. Например, для начальной точки Uжидк=7В переход датчика в пар при U=const дает относительное изменение тока ДI/Iж=104%, в то время как для перехода при I=const ДU=Uжидк =24%.

На рис. 1 показана зависимости ДI/Iж=f(U) для датчиков на основе килоомного резистора, 0.125 Вт. Датчик 1, кривая 1, выводы укорочены до минимально необходимой для пайки длины. Токоподводы диаметром 0.01 см на длине 10 см намотаны на медный стержень, помещенный на один уровень с датчиком. Длина стержня 0.8 см. Датчик 2-то же, что и кривая 1, но резистор спилен с одной стороны до угольной основы. Датчик 3 -то же, что и крива 2, но стержень с намотанными проводами помещен на 1 см выше датчика. Датчик 4-то же, что и кривая 3, датчик и провода обмотаны тремя слоями хлопчатобумажной ткани, поверх которой намотаны 2 слоя изоляционной ленты.

Рис. 1 Относительно изменение тока через датчики на границе жидкость-пар ДI/Iж при Uдат=const для различных технологий изготовления

Увеличение чувствительности при спиливании (рис.1, датчики 1,2) связано с большим термическим сопротивлением пластмассового покрытия датчика.

При использовании хлопчатобумажной изоляции жидкость по капиллярным каналам поступает к телу датчика и эффективно его охлаждает. Когда датчик находится в парах, изоляция затрудняет теплообмен, чем достигается смещение ВАХ датчика в паре вверх при практически неизменной ВАХ в жидкости. Большое число слоев изоляции (>5) приводит к уменьшению чувствительности из-за ухудшения отвода испарившегося на датчике гелия. Наблюдается опережающее смещение ВАХ датчика в жидкости, особенно сильное при больших напряжениях.

Выделяемая в токоподводах мощность не оказывает большого влияния на максимум чувствительности (рис. 1, датчики 2,3), но в зависимости от теплосъема может приводить к смещению его в ту или иную сторону, т.е. к увеличению или уменьшению тепловыделений датчика. Наилучшие результаты получаются при размещении 5ч10 см проводов под изоляцией на одном уровне с датчиком, но это не всегда возможно из-за увеличения размеров датчика.

На основе проведенных экспериментов была выбрана технология изготовления датчиков уровня сжиженного гелия.

В качестве основы датчика используется килоомный резистор, 0.25 Вт. Датчики спиливаются с двух сторон до угольной основы.

Выводы обрезаются до минимально необходимой длины 0.2 см. (Контрольные испытания датчиков с целыми выводами дают уменьшение чувствительности на 20% за счет увеличение теплообмена в парах). Резистор с 5-10 см токоподводом обматываются двумя-тремя слоями хлопчатобумажной нити, закрепляемой на выводах клеем. Поверх нити плотно надевается фторопластовая трубка или 2-3 слоя холодостойкой липкой ленты для уменьшения теплообмена с паром или парожидкостной смесью.

Что бы исключить «перебор» датчиков во время проведения исследования или рабочего сеанса из-за их отказа в работе, предварительно осуществляется «тренировка» датчиков. Для этого датчики разделяются по группам (5 штук в каждой) и поочередно, каждая группа опускается в сосуд Дьюара с азотом 10 раз подряд. Затем извлекается из сосуда и дается время на отогрев группы датчиков до комнатной температуры. Далее процедура повторяется. Таким образом, часть резисторов оказывается непригодной после проведения «тренировки». Резисторы, которые прошли «тренировку» имеют экспериментально доказанную высокую надежность.

Итак, для проведения эксперимента для определение рабочего тока мы выбираем 4 килоомных датчика типа ТВО (угольные резисторы).

Датчики крепятся на штоке (рис.3) и по одному опускаются в сосуд Дьюара, наполненный сжиженным гелием. Затем, осуществляется движение штока вниз-вверх. На шток нанесены засечки через сантиметр, для точного определения нахождения датчика в сосуде.

Рис. 3. Общий вид установки для исследования

По результатам исследования ТВО№1 (для дискретного уровнемера), был выбран ток равным 2мА.

Исходя из кривых на рисунках 5,6,7,8 был выбран рабочий ток равным 2мА. При этом датчик обладает наибольшей чувствительностью (~120 Ом на см.) на переходе пар-жидкость и шириной «бурления» ~ 0.5 см. При токе равным 2.5 мА ширина «бурления» достигла значения 3см. (рис. 9).

Выводы

1. Определена максимальная относительная чувствительность датчиков ТВО- 120 Ом/см при значении измерительного тока 2мА.

2. Определены значения сопротивления для каждого ТВО в сжиженном гелии:

- ТВО№1, R=2502 Ом;

- ТВО№2, R=2564 Ом;

- ТВО№3, R=1862 Ом;

- ТВО№4, R=3073 Ом;

3. Определено влияние давления на погрешность измерения.

4. Достаточно высокая стабильность блока измерения дискретного уровня -БДУ. Значение Up-p= ± 0.1 Ом (R=2500 Ом) при погружении в жидкий гелий.

5. Явно видна возможность сигнализации потребителю (например, на мнемосхеме мигание желтым цветом) за 2-3 см. до появления уровня сжиженного гелия. (Появление сжиженного гелия- индикация красным или другим цветом, по желанию заказчика).

6. Влияние бурления на результаты измерения наверняка можно снизить намоткой хлопчатобумажной изоляции на термодатчик.

Заключение

Результатом моего дипломного проекта стала разработка системы сбора данных установки сжиженного гелия технологического процесса обработки деталей низкими температурами.

Система слива сжиженного гелия удачно отработала рабочий сеанс. В итоге было наполнено два сосуда Дьюара по 100 л., и один - 250 л.

За работой системы слива можно было наблюдать в режиме реального времени на мнемосхеме, разработанной в среде графического программирования LabView (Приложение 2).

Был так же разработан технологический процесс изготовления детали типа «Гайка-накидная», разработана маршрутная карта, рассчитаны режимы резания, выбрано технологическое оборудование. Выполнен расчет станочного приспособления для крепления детали - универсального самоцентрирующегося клинового патрона. Разработан комплект технологической документации с помощью системы технологического проектирования и нормирования «Спрут-ТП», элементы которой приведены в Приложении 3.

Так же было предложено использовать ССГ для подачи сжиженного гелия в термокамеру, для обработки деталей в ней низкими температурами (Приложение 4). Приведены характеристики влияния на материал низких темпреатур.

В конструкторском разделе подробно описаны криогенно-вакуумная установка в целом, конструкции накопительного сосуда и штока уровнемера.

В разделе «Система управления» описаны выбранные блоки управления, алгоритм работы сбора данных системы слива сжиженного гелия, установленные в системе датчики уровня (линейного и дискретного), давления, температуры, а так же был выбран основной канал связи RS-485. Также приложена мнемосхема и описана тестовая программа работы весов ВЭП-300.

В исследовательском разделе приведены результат исследования работы датчика дискретного уровня, проведена калибровка каждого датчика по отдельности, определен более подходящий рабочий ток, а также сделаны выводы по проведенным исследованиям.

Описаны меры предосторожности при работе с системой слива сжиженного гелия в разделе безопасности жизнедеятельности (БЖД).

В итоге все задачи, поставленные в технологическом задании по разработке системы слива сжиженного гелия были выполнены.

Основные результаты:

· Подтверждена правильность термодинамического и гидродинамического расчётов системы слива сжиженного гелия, которые явились основой для проектирования и изготовления системы.

· Подтверждена правильность выбора криогенных комплектующих изделий системы слива.

· Подтверждена правильность выбора датчиков криогенных параметров, обеспечивающих безопасную эксплуатацию системы слива.

Тем самым была повышены надежность работы криогенно-вакуумной установки, а также экспериментально доказано удобство введения ССГ для работы одновременно с двумя физическими установками.

Размещено на Allbest.ru