Разработка преобразователя коммерческого расхода газа с использованием фотоэлектрического абсолютного шифратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа

2. Анализ первичных преобразователей для счетчиков

3. Разработка структурно-функциональной схемы

3.1 Задачи разработки

3.2 Учет особенностей ГРП

3.3 Состав структурно-функциональной схемы

3.4 Описание работы структурно-функциональной схемы

4. Выбор измерительных датчиков

4.1 Датчик оборотов

4.2 Датчик температуры

4.2.1 Типы датчиков температуры

4.2.2 Выбор датчиков температуры

4.2.3 Особенности конструкции термометров сопротивления

4.2.4 Особенности монтажа термометра сопротивления на трубопроводе

4.3 Датчик давления

4.3.1 Емкостной датчик давления

4.3.2 Вибрационно-частотный способ преобразования

4.3.3 КНС преобразователи

4.3.4 КНК преобразователи

4.3.5 Анализ конструкций и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков давления ведущих мировых производителей

4.3.6 Конструктивное устройство датчика давления

4.3.7 Электронный преобразователь датчика давления

4.4 Обеспечение взрывозащищенности датчиков

5. Разработка схемы преобразователя расхода

5.1 Выбор и работа микроконтроллера

5.2 Анализ возможных интерфейсов с ПК диспетчеризации

5.2.1 Интерфейс USB

5.2.2 Интерфейс Ethernet

5.2.3 Интерфейс CAN

5.2.4 Интерфейс RS-232

5.3 Расчет элементов блока питания

6. Расчет показателей надежности

6.1 Математические модели для расчета интенсивностей отказов основных комплектующих изделий

6.2 Расчет суммарной эксплуатационной интенсивности отказов

7. Точностной анализ схемы (расчет)

Заключение

Библиографический список

Реферат

В курсовом проекте согласно технического задания

Проведен анализ технического состояния, на основе которого разработан преобразователь коммерческого расхода газа с использованием фотоэлектрического абсолютного шифратора и с коррекцией параметров расхода по температуре и давлению. Представлена схема электрическая принципиальная, общий вид блока преобразования и вычисления расхода газа.

In an academic year project according to the technical project:

The analysis of a technical condition, on the basis of which is lead the converter of commercial expense of gas is developed with use photo-electric absolute and with correction of parameters of expense on temperature And to pressure. The diagram electric basic is presented, general view of the block of transformation and calculation of expense of gas.

Введение

В условиях рыночной экономики все острее встает вопрос об экономии имеющихся ресурсов и правильном их учете. На предприятиях всех форм собственности ведется внутренний и коммерческий учет всех энергоресурсов. Возникает необходимость точного учёта природного газа на всех уровнях: добыча, транпортировка, потребление природного газа. Рынок средств учёта различных энергоносителей на сегодняшний момент является наиболее сложным. Важной задачей становится правильно сориентироваться в этом разнообразии и найти оптимальное решение.

На объектах газового хозяйства ещё широко используются для учёта газа механические дифманометры ДСС, обладающие такими существенными недостатками как низкая точность измерений, нелинейность характеристик, зависимость результатов от человеческого фактора, ручной труд при обработке диаграммы. Предлагаемые комплексы учета импортного производства на базе вычислителей дороги и в них могут быть заложены алгоритмы расчётов, которые не соответствуют отечественной нормативной базе.

При разработке алгоритмов необходимо учитывать: СНиП 42-01-2001 "Газораспределительные системы";

"Правила учета газа" от 14 октября 1996г. Министерство топлива и энергетики.

Для коммерческого учета газа активно используются счетчики газа, которые ранее в основном использовались при техническом учете. При выборе и разработке таких счетчиков необходимо руководствоваться

ПР 50.2.019-2006. "Методика выполнения измерений при помощи турбинных, ротационных и вихревых счетчиков".

В курсовом проекте рассматривается вариант конструкторского решения на базе фотоэлектрического абсолютного углового шифратора с коррекцией по температуре и давлению газа. Это позволит улучшить точность учета расхода, что является актуальной задачей на современном развитии российского общества.

1. Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа

Одной из важнейших задач в газовой промышленности является измерение расхода газа. Система учета количества веществ невозможна без средств измерения расхода, которые основаны на различных методах измерения расхода. В настоящее время техника измерения расхода газа неплохо развита, но тем не менее применяемые методы не без изъянов, а к предлагаемым альтернативным методам специалисты на производстве относятся с осторожностью. Поэтому ставится цель сравнить и проанализировать работу приборов, применяемых для задач измерения расхода (количества) газа на производстве.

Методы измерения расхода газа и его количества

На объектах газовой промышленности расход газа и его количество измеряют в основном методом переменного перепада давления на сужающем устройстве, при помощи тахометрических расходомеров и счетчиков, а так же в последнее время активно внедряются ультразвуковые расходомеры.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждого из перечисленных методов. Одним из самых распространенных методов измерения расхода является метод переменного перепада давления. Суть метода состоит в измерении перепада давления, до и после сужающего устройства, установленного в потоке газа.

Q=CEеF0 Дp/ с ,

ѓГ - коэффициент расширения, учитывающий увеличение удельного объема для газа;

F-площадь сужающего устройства;

ѓП-плотность газа;

Дp -перепад, создаваемый сужающим устройством;

C - коэффициент истечения, представляющий собой отношение действительного расхода к теоретическому.

Произведение C*E=б называют коэффициентом расхода.

Е -коэффициент скорости входа, учитывающий влияние начальной скорости потока на образование коэффициента расхода б ;

Плотность газа зависит от :

ѓП„ѓ - плотности при стандартных условиях;

p - абсолютного давления;

T - температуры;

K - коэффициента сжимаемости;

Согласно [1], [2] погрешность измерения расхода зависит от погрешностей определения коэффициента истечения, коэффициента расширения, измерения перепада давлений, плотности, средств измерения температуры и абсолютного давления.

Документы [1] и [2] накладывают ограничение на применение расходомеров с сужающими устройствами для диаметров выше 1000 мм.

Метод переменного перепада давления довольно хорошо изучен, имеется богатая экспериментальная база коэффициентов расхода для различных значений относительного диаметра и чисел Рейнольдса, неплохо развита нормативная база, продолжаются работы по устранению проблем, связанных с применением метода.

Другим классом широко применяемых на производстве средств измерения расхода являются тахометрические расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости скорости вращения преобразователя, установленного в трубопроводе от расхода вещества. Раньше расходомеров появились счетчики, у счетчиков вал преобразователя расхода через редуктор связан со счетным механизмом, что позволяло измерять количество прошедшего вещества.

Достоинствами таких приборов являются быстродействие, высокая точность, большой диапазон измерений.

Погрешность счетчиков составляет ±0,5 - 1,5 %, использование тахометрических преобразователей позволяет снизить погрешность преобразования расхода в частоту вращения преобразователя до ±0,3 %.

Основной недостаток тахометрических расходомеров - износ опор, наличие подвижных элементов и основной недостаток, по отношению к расходомерам с сужающими устройствами, - необходимость в поверочных установках. Помимо описанных выше расходомеров, на производстве начали интенсивно внедряться ультразвуковые расходомеры.Ультразвуковой метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся средой [4].

Метод характеризуется следующими негативными факторами [5]:

-зависимость собственной скорости ультразвуковых колебаний от физико-химических свойств измеряемой среды;

-скорость потока осредняется вдоль ультразвукового пучка, а не по сечению трубы. Последний фактор заставляет разработчиков снабжать конструкцию дополнительными датчиками или отражателями, что делает расходомер более сложным, возрастает вероятность ошибки работы при выходе из строя датчиков системы. У данного метода есть ряд достоинств:

1. отсутствие перепада давлений,

2. высокое быстродействие;

3. отсутствие подвижных элементов.

Основные погрешности, которые возникают при использовании данного метода [6]:

- погрешности, вызванные отклонением температуры и концентрации среды;

- погрешности из-за несимметричности акустического канала;

- ревербационные, обусловленные наличием отражений ультразвуковых волн от поверхностей датчиков;

- гидродинамические, обусловленные отклонением профиля скоростей потока от расчетного.

С точки зрения нормативной и экспериментальной базы, расходомеры с сужающими устройствами являются наиболее развитыми. Основные принципы довольно хорошо изучены и совершенствуются. Существует огромное количество публикаций, огромное количество экспериментальных данных, различных ГОСТ и МВИ, делающих данный метод эффективным.

На сегодняшний день основным официальным документом, который нормирует применение ультразвуковых расходомеров, является ISO/TR 12765.1998.

Нормативные документы по применению турбинных средств измерения расхода в большей степени посвящены измерению расхода (жидкостей).

Точность измерения ультразвуковых расходомеров является пока не высокой для одно-и двухканальных исполнений. Для увеличения точности требуется увеличение количества акустических каналов. Увеличение количества акустических каналов влечет за собой увеличение стоимости и снижает надежность системы из-за большего числа электроакустических преобразователей.

Погрешность расходомеров с переменным перепадом давления сегодня может быть не хуже ±0,5%, а погрешность тахометрических расходомеров и счетчиков не очень высокого класса составляет 1%,

Поэтому «доверие» к методу переменного перепада давления и тахометрическим методам измерения расхода при коммерческом учете больше, чем ультразвуковому методу.

Динамический диапазон измерений у тахометрических и ультразвуковых расходомеров шире, чем у расходомеров переменного перепада давления.

Необходимость эталонных установок для поверки тахометрических и ультразвуковых расходомеров повышает стоимость их эксплуатации по сравнению с расходомерами с сужающими устройствами.

Анализ показывает, что все методы определения расхода зависят от параметров среды. Так, что основной задачей является достижение независимости результатов измерения от изменения параметров среды. У большинства расходомеров изменение плотности среды, в частности, ее давления и температуры, существенно сказывается на результатах измерения. Возникающая при этом дополнительная погрешность может достигать больших величин. Возможны два пути решения проблемы. Первый путь -- широкое внедрение приборов (силовых и тепловых), которые по принципу своего действия измеряют массовый расход и количество, а также разработка и создание новых приборов, измеряющих расход и количество в единицах массы. Другой путь--оснащение обычных расходомеров и измерителей количества автоматическими устройствами, корректирующими их показания на изменение давления и температуры или же плотности.

Исходя из приведенного анализа видно, что из-за длительности применения метода переменного перепада давления накоплена большая научная и нормативная база .Данный метод требует своего развития в сторону отказа от устаревших механических приборов контроля давления и перепада давления. Должно также развиваться отказ от ручных операция расчета расхода. Т.е метод должен развиваться путем внедрения цифровых приборов с функцией вычисления. Ультразвуковой метод контроля развивается длительное время. Но его эксплуатация не принесла положительных результатов. Сдерживает развитие метода его дороговизна и отсутствие нормативных документов.

Счетчики, вал у которых связан со счетным механизмом через редуктор при применении преобразователей позволяет снизить погрешность.

В основном разрабатывались счетчики с тахометрическим преобразователем. Иным видам уделялась меньшее внимание. Поставим задачу анализа различных типов преобразователей.

2. Анализ первичных преобразователей для счетчиков

В зависимости от используемого первичного преобразователя (датчика) счётчики бывают: электромагнитные, тахометрические, индуктивные, фотоэлектрические. Они значительно отличаются друг от друга как по ценам, так и по потребительским характеристикам.

Для выбора датчика необходимо определить следующие требования:

- вид сигнала;

- точность;

- метод контроля;

- конструктивные требования.

Проведем сравнительный анализ датчиков [7,8,9](см. таблицу 1.)

Таблица 1

Параметр	Тахометрический	Индуктивный	Электромагнитный	Фотоэлектрический
Вид сигнала	Аналоговый	Аналоговый	Аналоговый	Аналоговый
Точность, %	1…2	0,1…6	2,5	0,1…4
Чувствительный элемент	Без контактный	Без контактный	Без контактный	Без контактный
Конструктивные	83х48х16	10х75	90х50х20	60х28х14

Как видно из таблицы оптимальным вариантом является фотоэлектрический датчик. Фотоэлектрические датчики нашли широкое применение благодаря высокой чувствительности, точности, надежности, малым габаритам и относительными температурными режимами.

Для измерения могут быть использованы:

а) прямой принцип прерывания или отражения светового потока;

б) использование принципа совместного использования двух шкал (подвижной и неподвижной) с применением муаровых растровых дисков.

Применение муаровых растровых сопряжений позволяет построить автоматические измерительные устройства обладающие высокой точностью до 0,1мкм при измерении линейных перемещений и до 0,2 “ при измерении угловых перемещений.

Разрешающая способность растровых дисков ограничивается различимой длиной элемента кода.

в) оптические угловые (поворотные) кодирующие устройства: шифраторы приращений и/или абсолютные шифраторы [10].

В данных датчиках ошибки устраняются применением системой кодировки дисков: вместо двоичного кода используется код Грея.

При простом двоичном кодировании ошибка из-за неопределённости считывания, равная единице младшего разряда кода, может вызвать для ряда чисел перенос единицы в старший разряд, вследствие чего минимальная ошибка трансформируется в максимальную. В коде Грея изменение младшего разряда на 1 вызывает изменение только соседнего старшего разряда.

Погрешности шифраторов с обычным бинарным кодом можно минимизировать также с помощью методов сканирования, которые обычно реализуются за счёт включения двух преобразующих элементов на каждую дорожку. При этом ведущий элемент располагается несколько впереди ведомого. Данные обрабатываются внешней логической схемой[20].

Шифратор приращений индицирует только перемещение при движении от начального состояния, а абсолютный шифратор индицирует абсолютное положение. В абсолютных шифраторах углового положения используется электромеханический способ аналого-цифрового преобразования, предполагающий непосредственное преобразование угла поворота вала в соответствующий цифровой выходной сигнал, который может быть использован для обработки и интерпретации информации любым измерительным комплексом.

Большая часть шифраторов является шифраторами приращений поворотного типа. Они герметизированы в целях защиты от пыли, грязи, масляных брызг или воздействия влаги.

3. Разработка структурно-функциональной схемы

3.1 Задачи разработки

При разработке узла учета газа для ГРП технологического объекта должны решаться следующие задачи:

-достижение независимости результатов измерения от изменения параметров среды за счет контроля давления и температуры газа;

-улучшения точности контроля расхода за счет применение датчика фотометрического типа.

-учет специфики работы с природным газом при его редуцировании на ГРП.

3.2 Учет особенностей ГРП

ГРП (газораспределительный пункт) - предназначен для снижения давления природного или попутного нефтяного, предварительно очищенного от тяжелых углеводородов, газа до заданного давления и поддержания его с заданной точностью.

В типовой конструкции газораспределительных пунктов (ГРП) предусмотрены следующие отсеки - технологический и управления, они оборудованы обособленными входами снаружи и защищены от доступа посторонних лиц. В технологическом отсеке (категория отсека по взрывопожарной безопасности - А) размещаются:

- узел переключения;

- узел редуцирования (в т.ч. на собственные нужды);

- узел замера расхода газа;

- узел очистки газа.

В отсеке управления размещаются (категория отсека по взрывопожарной безопасности - Д):

- отопительный агрегат с обвязкой;

- узел связи;

- узел контроля и управления технологическими

процессами;

- узел аварийно-предупредительной сигнализации;

- рабочее место оператора ГРП.

Учитывая место размещения узла учета газа необходимо предусмотреть технические меры по пожарной безопасности.

3.3 Состав структурно-функциональной схемы

В состав схемы должны входить следующие компоненты:

1. Первичный преобразователь (датчик) поворота и подсчета числа оборотов счетчика.

2. Первичный преобразователь (датчик) температуры газа, для введения корректировки в расчет величины расхода.

3. Первичный преобразователь (датчик) давления газа, для введения корректировки в расчет величины расхода.

4. Микроконтроллер - элемент, управляющий схемой, т.е. опрашивающий датчики с некоторой периодичностью и преобразующий аналоговые электрический сигналы в цифровые. Рассчитывающий и выводящий значение расхода газа на индикатор. Обеспечивающий связь с ПЭВМ

5. Блок питания - питающий электронную схему.

6. ЖК модуль - блок передающий информацию для отображения значение расхода газа в виде десятичных цифр.

7. Интерфейс связи с ПЭВМ

8. Клавиатура для изменения значений параметров

9. Блок искрозащиты предназначен для организации искробезопасной электрической цепи и электрического сопряжения оборудования, совместимого интерфейсом RS-232 и расположенного в невзрывоопасной зоне, с оборудованием, расположенным во взрывоопасной зоне.

Рисунок 1 - Подключение блока преобразования через блок искрозащиты

3.4 Описание работы структурно-функциональной схемы

Схема представлена в графической части проекта.

Принцип работы преобразователя основан на преобразовании объема протекающего через него газа в пропорциональное количество оборотов турбинки. Сигнал с измерительного датчика числа оборотов через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Сигнал с измерительного датчика температуры через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Сигнал с измерительного датчика давления через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Микроконтроллер преобразовывает этот сигналы в показания расхода газа. Данные передаются в блок индикации (ЖК модуль) и отображаются на индикаторе в виде десятичных цифр. С выхода МК информация через интерфейс связи предается на ПЭВМ диспетчерского пункта. Схема электронного преобразователя собранного на микроконтроллере может перепрограммироваться на различные диапазоны работы расхода газа. В состав включена клавиатура. Интерфейс с оператором предполагается организовать в режиме выбора пунктов меню и изменения установленных по умолчанию значений. Разрабатываемое устройство имеет в своём составе блок питания с источником стабилизированного напряжения. Блок питания подключается к преобразователю через блок искрозащиты. Связь с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 через блок искрозащиты.

4. Выбор измерительных датчиков

4.1 Датчик оборотов

В качестве датчика оборотов выбираем цифровой фотоимпульсный энкодер, который служит для измерения основных кинематических параметров работы вала: скорости и положения. Основным преимуществом абсолютного энкодера перед инкрементным является функция сохранения текущего значения углового перемещения вне зависимости от того, подано питание на датчик или нет. Поэтому выбираем абсолютный энкодер. Основные параметры, необходимые для выбора энкодера: - количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000); - количество бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25); - диаметр вала или отверстия под вал; - тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN…); - напряжение питания; - длина кабеля и тип разъёма; - дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепёжной штанги и др.).

Выбираем энкодер с полым ротором. У него в отличии от энкодера с валом не требуется большого количества принадлежностей. Исключает использование муфты и фланца. Требуется лишь точная выверка вала на который он крепится. Он занимает меньше места.

Выбираем малогабаритный абсолютный датчик углового положения (абсолютный энкодер). Принцип действия - фотоэлектрический. Диаметр корпуса 37,5 мм.Полый вал 8 мм. Разрешающая способность - до 21 разряда на оборот с возможностью выдачи инкрементного сигнала СН (1Vpp) на 1024 периода/оборот.Способ выдачи данных - SSI (код Грея и двоичный), BiSS (только двоичный код). Напряжение питания - +5 В. ЛИР-ДА237Т (Рекомендации по выбору СКБ ИС)

4.2 Датчик температуры

4.2.1 Типы датчиков температуры

Среди датчиков температуры наиболее распространены термопары, термопреобразователи сопротивления, полупроводниковые терморезисторы, кремниевые (в том числе и интегральные) термодатчики.

а) Наиболее простым и распространенным типом датчика температуры является термометр сопротивления. Принцип его действия основан на зависимости удельного сопротивления металлов от температуры.

б) Принцип действия терморезисторов аналогичен термометрам сопротивления. Отличаются они в первую очередь технологией производства и конструктивными особенностями. По внешнему виду часто напоминают обычные резисторы.

в) Принцип действия термопары основан на возникновении термоЭДС (эффекте Зеебека) в месте спая двух разнородных металлов. Величина ЭДС пропорциональна разности температур между «горячим» концом или спаем и «холодным» концом, представляющим собой точку подключения проводников к измерительному устройству.

г) В полупроводниковых датчиках температуры в p-n переходе падение напряжения при протекании тока в прямом направлении будет меняться примерно на 2мВ с изменением температуры на 1 градус. Используя данную зависимость можно организовать измерение температуры в диапазоне примерно от -55 до 150 градусов. В качестве датчиков могут использоваться обычные диоды или один из p-n переходов транзистора.

д) Пирометр: принцип действия основан на измерении энергии, излучаемой каким-либо телом в окружающую среду. Такой принцип не требует непосредственного контакта с объектом, но отличается достаточно низкой точностью.

4.2.2 Выбор датчиков температуры

а) Первым параметром, определяющим выбор датчика температуры, считается диапазон измерения. Если подходит несколько вариантов, то можно пользоваться таким правилом: номинальное измеряемое значение должно лежать в диапазоне от половины до двух третей шкалы.

Рисунок 2. Диапазоны измерения датчиков температур

Исходя из диапазона измерения заданного в ТЗ возможным возможно использование: термометров сопротивлений медных либо полупроводниковых датчиков.

б) Второй параметр выбора: точность измерений.

По ТЗ требуется точность 0,5 град. Из выбранных датчиков подходит термометр сопротивления. У полупроводникового датчика точность 1 градус.

в) При выборе следует учитывать такой параметр как инерционность. Инерционность измеряется в секундах и показывает, насколько быстро изменение температуры окружающей среды отразится на выходном сигнале датчика.

г) Конструктивные особенности датчика определяют его область применения.

4.2.3 Особенности конструкции термометров сопротивления

Конструктивно, термометр сопротивления представляет собой (Рис.3) спираль 5 из тонкой проволоки, помещенную в капиллярную керамическую трубку 3, заполненную керамическим порошком 4, который одновременно изолирует и поддерживает спираль. С торцов трубка плотно закрыта пробками 2 и 6.

Такая конструкция обеспечивает большую надежность в условиях вибрации и высокой температуры. К концам спирали припаяны выводные провода 1.Конструкция термопреобразователя сопротивления показана на рис.4.Собранный чувствительный элемент 11 помещают в защитный чехол 9,который предохраняет его от механических повреждений и агрессивных воздействий измеряемой среды. Выводные провода чувствительного элемента изолируют фарфоровыми изоляторами 1 и присоединяют к контактным клеммам 7, расположенным в головке 4 преобразователя, которую закрывают крышкой 6 с прокладкой 5.

Рис. 3. Чувствительный элемент термопреобразователя сопротивления

Рис. 4. Термопреобразователь сопротивления

Герметизацию выходных проводов чувствительного элемента осуществляют с помощью эпоксидного компаунда 8. Свободное пространство защитного чехла заполняют окисью алюминия 10.

Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру термопреобразователей сопротивления, рассчитанных на различные пределы измерений, в разнообразных конструктивных исполнениях, соответствующих условиям их эксплуатации.

Достоинством проволочных термопреобразователей сопротивлений является их взаимозаменяемость, т.е. возможность работы с одним и тем же измерительным прибором, без подгонки шкалы, с разными термопреобразователями одной градуировки.

Основным условием взаимозаменяемости термопреобразователей сопротивлений при их эксплуатации является равенство сопротивлении термопреобразователей при каждой заданной температуре в пределах установленных допусков.

Взаимозаменяемость термопреобразователей сопротивлений достигается тем, что их изготовляют из металла одинаковой чистоты, что проверяется изменением соотношения R0 и R100 - сопротивлений при температуре 0 и 100єС.

К достоинствам термопреобразователя сопротивлений можно отнести: высокую точность измерения температуры; возможность осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний; возможность централизации контроля температуры путем присоединения взаимозаменяемых термопреобразователей через переключатель к одному измерительному прибору.

Недостатками термопреобразователя сопротивлений являются: необходимость индивидуального источника питания; относительно большие размеры чувствительного элемента; значительная инерционность; сложность устройства вторичных приборов.

Исходя из проведенного анализа в качестве датчика для разработанного прибора выбирается термосопротивление ТСМ 100М .

Технические характеристики о термосопротивления представлены в таблице 2.

Таблица 2

Тип	Номинальные сопротивления, ом	Диапазон измерения температур, 0С		Допустимое отклонение, %
ТСМ	100	-200…+200	1,4280,002

4.2.4 Особенности монтажа термометра сопротивления на трубопроводе

По основному варианту термометры сопротивления устанавливается на трубопроводах и агрегатах вертикально. При монтаже датчиков по месту их установки ввариваются бобышки (с резьбой). Далее в бобышки ввертываются сами датчики (с соответствующими уплотнителями, сальниками и т.п.). Глубина погружения датчика должна быть такой, чтобы чувствительный элемент располагался по центру потока измеряемой среды (например, по осевой линии трубопровода).

Если у трубопроводов тонкие стенки, то в местах установки датчиков к ним привариваются металлические пластины, швеллеры, угольники и другие усиливающие конструкции, позволяющие укрепить тонкие стенки и установить (путем сварки) достаточно массивные бобышки.

Рисунок 5 Основной вариант установки термометра сопротивления



Рисунок 6 Варианты установки термометра сопротивления:

а) трубопровод круглого сечения б) трубопровод прямоугольного сечения

Рисунок 7 Варианты установки термометра сопротивления на тонком трубопроводе: а) установка датчика в колене; б) установка датчика под углом

4.3 Датчик давления

В настоящее время разработано несколько способов преобразования давления в электрический выходной сигнал: тензорезистивный, ёмкостной, вибрационно-частотный, тензорезисторный.

4.3.1 Емкостной датчик давления

Рисунок 8 - Схема емкостного преобразователя (1-мембрана, 2-обкладка конденсатора, 3-прокладка)

Ёмкость можно изменить путём изменения электрического поля между двумя проводниками, образующими обкладки конденсатора. Одна из обкладок может находиться на мембране чувствительного элемента, а вместе они образуют конденсатор ёмкости (рис. 8).

Ёмкостные датчики, благодаря высокой собственной частоте, можно использовать для измерения быстропеременных давлений.

К недостаткам данного метода следует отнести механическую усталость центральной мембраны, дрейф нуля из-за незаметного, но существенного для точных измерений перекоса сенсора.

4.3.2 Вибрационно-частотный способ преобразования

Действие струнных преобразователей давления основано на зависимости собственной частоты ѓ поперечных колебаний балки (струны) от величины растягивающей её силы. Технология выращивания кристаллических структур позволила японской фирмы Yokogawa реализовать принципиально новый частотно-резонансный сенсор Н-образной формы (рис.9)

Рисунок 9 - Частотно резонансный сенсор

Две балки размером несколько десятков микрон, соединённые перемычкой и выполненные в виде единого монокристалла кремния. Одна из балок служит для возбуждения колебаний, а другая для регистраций. При подаче переменного напряжения и действия магнитного поля постоянного магнита в соответствии с принципом электромагнитной индукции балка начинает колебаться. Колебания через перемычку передаются на вторую балку, при этом на выходе возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая усиливается и возвращается обратно на вход схемы, что приводит к саморезонансу (автоколебаниям) системы. Для повышения добротности колебаний и увеличения уровня выходного сигнала балка помещена в вакуумированную полость. Выходной величиной преобразователя является собственная частота колебаний балки, которая в случае кремниевого резонатора определяют всего два параметра: её масса, геометрические размеры, и форма. Масса резонатора измениться не может, а геометрические размеры и форма жёстко зафиксированы упругой кристаллической решёткой. Всё это в совокупности позволяет гарантировать стабильность характеристик во всём диапазоне рабочих условий.

Преимуществом вибрационно-частотных преобразователей является повышенная точность (0,01 %), включая влияние нелинейности, повторяемости, гистерезиса) и стабильность выходного сигнала (0,1 % в течение 10 лет), высокая разрешающая способность: частотный сигнал может быть считан непосредственно микропроцессорным устройством.

Несмотря на то, что приборы, основанные на данном способе преобразования, хорошо себя зарекомендовали однако не получили дальнейшего развития из-за повышенной чувствительности к ударным нагрузкам, вибрации, что существенно ограничивает сферу внедрения этих датчиков в промышленности, транспорте, объектах энергетики, и низкой технологичности производства, что ведёт к высокой себестоимости изделия.

4.3.3 КНС преобразователи

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной плёнке кремния на подложке из сапфира (рис.10), припаянные твёрдым припоем к титановой мембране. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в кремнии. Чувствительным элементом служит сапфировая подложка с гетероэпитаксиальными тензорезисторами, подложка крепиться к титановой мембране слоем припоя. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют своё сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры.



Рисунок 10 - КНС тензорезистивный преобразователь (1-тензорезисторы, 2- сапфировая подложка, 3-серебросодержащий припой, 4-титановая мембрана)

4.3.4 КНК преобразователи

В отличие от КНС, КНК (кремний на кремнии) представляет собой монолитную кристаллографическую структуру, мембрана которой формируется химическим травлением кремния. На рис 4 представлен кремниевый ЧЭ (элемент датчика давления).

На лицевой стороне кремниевой пластинки 2, имеющей квадратную форму, формируются четыре тензорезистора 7 p-типа проводимости сформированные диффузией бора и изолированные от подложки большим сопротивлением p-n перехода. Тензорезисторы токоведущими дорожками 3 объединены в мостовую схему.

В этой конструкции тезорезисторы и упругая мембрана сформированы в одной в единой монокристаллической структуру без применения клеев и припоев. Такая структура обладает стабильными характеристиками. Поэтому все высокоточные датчики давления ведущих мировых производителей изготавливаются из кремния. В таблице 1 показаны основные характеристики датчиков давления

Такие характеристики достигаются применением кремниевого чувствительного элемента с инплантированными резисторами и мембраной которая формируется химическим травлением.

Рисунок 11 - Конструкция кремниевого (КНК) тензорезисторного преобразователя (1 - стеклянное основание, 2 - кремниевый кристалл; 3 - алюминиевая дорожка, 4 - контактная площадка, 5 - мембрана, 6 - отверстие для подвода давления, 7 - тензорезисторы, 8 - датчик температуры)

4.3.5 Анализ конструкций и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков давления ведущих мировых производителей

Датчиков давления компаний АВВ, Siemens, Honeywell обладают высокой долговременной стабильностью. Такие датчики не требуют обслуживания в течении нескольких лет.Чувствительный элемент датчика давления (рис. 12) представляет собой кремниевый кристалл в котором сформирована мембрана методом анизотропного травления.

Рисунок 12 - Чувствительный элемент датчика 265DS компании АВВ

На мембране сформирован тензомост из диффузионных тензорезисторов. Кремниевый кристалл чувствительного элемента датчика давления представляет собой подложку п-типа, на которой диффузией бора сформированы тезорезисторы с поверхностным сопротивлением 150 Ом на квадрат

1. Ведущие мировые производители датчиков давления используют в качестве материала для изготовления чувствительных элементов кремний.

2. Ведущие мировые производители датчиков давления используют кремниевые чувствительные элементы с тензомостом из диффузионных резисторов.

3. Технология плазмохимического травления позволяет упростить процесс формирования мембран.

4. Развязка чувствительного элемента для защиты от механических и тепловых воздействий корпуса может производится как через кремниевую пластину, соединение эвтектикой, так и через стеклянную пластину, соединение анодной посадкой.

5. Соединение анодной посадкой позволяет упростить конструкцию датчиков, исключив эвтектическое соединение кремниевых пластин и промежуточную керамическую плату.

4.3.6 Конструктивное устройство датчика давления

Датчик (рис. 13) состоит из корпуса 1, мембранного тензопреобразователя (ТП) 2 и электронного преобразователя 3.

Измеряемое давление подводится в рабочую полость и воздействует

непосредственно на измерительную мембрану тензопреобразователя 2, вызывая ее прогиб. Измерительная мембрана тензопреобразователя состоит из металлической полями в полосе частот 0,15-80 МГц, по ГОСТ Р 51317.4.6.

4.3.7 Электронный преобразователь датчика давления

Электронный преобразователь датчика состоит из фильтра радиопомех и платы микропроцессора, которая содержит следующие функциональные узлы (рисунок 14):

- стабилизатор напряжения (СН);

- источник опорного напряжения (ИОН);

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

- микропроцессор (МП);

- энергонезависимое постоянное запоминающие устройство (ЭПЗУ);

- преобразователь напряжения в ток (ПНТ);

- кнопочные переключатели 1 и 2 (рисунок 2) (КП).

Источник опорного напряжения формирует напряжение для аналого-цифрового преобразователя и стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения предназначен для создания питающего напряжения для всех узлов схемы.

Информация, полученная из АЦП, обрабатывается микропроцессором, вычисляется истинное значение давления и преобразуется в напряжение. При математической обработке используется калибровочная информация, хранящаяся в ЭПЗУ. Преобразователь напряжения в ток формирует выходной унифицированный токовый сигнал.

Рисунок 13 -Датчик давления



Рисунок 14 -Электронный преобразователь давления

4.4 Обеспечение взрывозащищенности датчиков

Обеспечение взрывозащищенности датчиков температуры и давления достигается размещением их электрических частей во взрывонепроницаемую оболочку по ГОСТ Р51330.1, которая имеет высокую степень механической прочности, а электрических частей преобразователя в оболочку с видом защиты «специальный» по ГОСТ 22782.3. Указанные виды взрывозащиты исключают передачу взрыва внутри датчика в окружающую взрывоопасную среду. Прочность взрывонепроницаемых оболочек датчиков проверяется при их изготовлении гидравлическими испытаниями избыточным давлением 1,0 МПа по ГОСТ Р51330.1.

Взрывонепроницаемость оболочки обеспечивается исполнением деталей оболочки и их соединением с соблюдением параметров взрывозащиты по ГОСТ Р51330.1. Взрывонепроницаемость оболочки обеспечивается применением взрывозащиты вида «взрывонепроницаемая оболочка («d»)».

В резьбовых взрывонепроницаемых соединениях имеется не менее пяти полных непрерывных неповрежденных витков в зацеплении.

Взрывонепроницаемость ввода кабелей обеспечивается путем уплотнения его эластичным резиновым уплотнением.

5. Разработка схемы преобразователя расхода

5.1 Выбор и работа микроконтроллера

Основным элементом схемы преобразователя сигналов является микроконтроллер TMS 320T243PGEA компании Texas Instruments. В контроллер загружается программа обработки сигналов абсолютного шифратора через микросхему MAX232, что обеспечивает связь контроллера с ПЭВМ.

В схеме существует три канала связи с датчиком. Первый канал формирует сигнал CLOCK для синхронизации датчика, он работает на передачу данных из микроконтроллера в датчик. Второй канал работает как приемо-передатчик сигналов интерфейса DAT из датчика в микроконтроллер (основного кода [суммы] о текущем положении датчика). Третий канал служит для увеличения точности датчика. Он принимает сигналы SIN и COS из датчика с реперных частей оптического диска датчика. Сигналы SIN и COS с помощью источника опорного напряжения согласуются с микроконтроллером.

В начальный момент времени после запуска программы микроконтроллер формирует и выдает по каналу DAT кодовое слово. Через 2 такта по каналу CLOCK датчик начинает передавать информацию о положении оптического диска. Микроконтроллер обрабатывает полученную информацию, формирует код положения диска, анализирует сигнал ошибки, и, если получается контрольная сумма, передает полученный код в регистры хранения данных. Внешнее устройство (ПЭВМ) по каналу связи «забирает» код из регистров. Микроконтроллер вновь записывает в регистры данные (код) о положении оптического диска.

5.2 Анализ возможных интерфейсов с ПК диспетчеризации

5.2.1 Интерфейс USB

USB-(Universal Serial Bus)-универсальная последовательная шина.

Достоинством 40-кратное увеличение скорости передачи данных.

Возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств.

Режимы работы USB (универсальной последовательной шины).

· Low Speed. Поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных -- 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).

· Full Speed. Поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных -- 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.

· Hi-Speed. Поддерживается стандартом версии 2.0 (в перспективе и 3.0). Пиковая скорость передачи данных -- 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).

· Super-Speed. Поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных -- 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Электрические характеристики интерфейса USB.

Рабочее напряжение составляет 5 В ±5%. При этом сила тока может составлять от 2 до 500 мА.Существует дополнение PoweredUSB, также известное как Retail USB, USB PlusPower и USB +Power. Оно обеспечивает силу тока до 6 А, а напряжение может быть 5, 12 или 24 В.

5.2.2 Интерфейс Ethernet

Название Ethernet происходит от английского слова "ether" -- "эфир" ( радиоэфир). Стандарт со скоростью 100 Мбит/с известен как Fast Ethernet за последнее десятилетие получил огромнейшее распространение. Сегодня это наиболее популярный тип Ethernet для объединения компьютеров в единую сеть. Стандарт Gigabit Ethernet. Максимальную скорость передачи данных -- до 1 Гбит/с. Для передачи информации может использоваться как витая пара, так и оптоволокно.

Стандарт IEEE 802.3aе обеспечивает поддержку передачи данных работы Ethernet-сетей до 10 Гбит/с. Он предполагает использование как оптоволоконных кабелей, так и медной витой пары.

Стандарт IEEE 802.3ba. обеспечивает поддержку передачи данных на скорости до 40 и 100 Гбит/с. Поддерживается расстояния от 10 метров (по медному кабелю) и до 40 км (по оптоволокну).

5.2.3 Интерфейс CAN

CAN (Controller Area Network -- сеть контроллеров) -- стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи -- последовательный, широковещательный, пакетный. Стандарт объединяет физический уровень (Physical Layer) и уровень канала данных (Data Link Layer) в соответствии с 7-ми уровневой OSI моделью. Таким образом, "CAN стандарт" соответствует уровню сетевого интерфейса в 4-х уровневой модели TCP/IP.

Основные возможности протоколов CAN:

система назначения идентификатора для сообщения;

метод обмена данных процесса;

прямая(peer-to-peer) связь;

метод установления связей для обмена данных процесса;

сетевое управление;

модели и профайлы устройств.

Преимущества CAN:

возможность работы в режиме жёсткого реального времени;

простота реализации и минимальные затраты на использование.

высокая устойчивость к помехам;

арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности;

надёжный контроль ошибок передачи и приёма;

широкий диапазон скоростей работы;

большое распространение технологии, наличие широкого

ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Активно используется в разработках ОАО «СКБ ПА» г.Ковров (навигационная аппаратура, системы безопасности и .п.).

5.2.4 Интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232 (англ. Recommended Standard 232) -- физический уровень для асинхронного (UART) интерфейса. Имеет широкое распространение в телекоммуникационном оборудовании для персональных компьютеров. В настоящее время широко используется для подключения всевозможного специального оборудования к компьютерам

Связь преобразователя с ПЭВМ сбора данных осуществляется при помощи последовательного интерфейса RS-232, имеющего уровень ±12В, то для его связи с микроконтроллером модуля электронного необходимо устройство согласования, имеющего следующие характеристики:

- возможность гальванической развязки канала последовательного интерфейса RS-232 с портом В микроконтроллера для исключается возможность выгорания порта В из-за различия в потенциалах общего провода;

- возможность коммутации напряжения до 30В (U_к);

- возможность коммутации тока до 5мА;

- малое время включения (t_вкл5мкс) и выключения (t_выкл5мкс) для обеспечения скорости обмена.

Диод V15 служит для защиты излучающего диода оптопары V12 от превышения обратного напряжения (-12В), которое должно быть не более 0,5В. Таким образом за отрицательный интервал времени действия напряжения -12В обратное напряжение на излучающем диоде не превысит 0,3В засчет открытия диода V15.

Назначение контроллера - прием, обработка и передача информации, поступающей с датчиков объекта.Микроконтроллер работает на напряжении 5В и не имеет встроенного преобразователя уровней. Для данной разработки был выбран преобразователь уровней АDM232AARN

5.3 Расчет элементов блока питания

Блок питания включает в себя трансформатор, двухполупериодные выпрямители, сглаживающие конденсаторы и стабилизатор напряжения). Основным элементом блока питания является трансформатор.

Кпд трансформатора

Рном - номинальная мощность трансформатора, P_мп - мощность потерь в магнитопроводе, P_об - мощность потерь в обмотках.

Определим номинальную мощность трансформатора:

Определим данные магнитопровода:

где S_м - площадь сечения магнитопровода, см²; S_ок - площадь окна магнитопровода, см²; P_ном-мощность, Вт; f- частота питающей сети, Гц; B_m- амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе, Т; j- плотность тока, А/мм²; k_ок- коэффициент заполнения окна магнитопровода; k_м- коэффициент заполнения сечения стержня магнитопровода. Значение B_m- можно выбират по графику (рисунок 15) в зависимости от габаритной мощности трансформатора P_г(1,05..1,3)P_ном и марки стали. Наибольшее значение коэффициента при P_ном соответствует трансформаторам с P_ном10 В*А, наименьшее - трансформаторам с P_ном100 В*А. Плотность тока в значение коэффициента при P_ном соответствует трансформаторам с P_ном10 В*А, наименьшее - трансформаторам с P_ном100 В*А. Плотность тока в меньше номинальная мощность трансформатора). Для броневых трансформаторов с P_ном=15..50 В*А можно принимать k_ок=0,22..0,28, с P_ном=50..150 В*А - k_ок=0,28..0,34 и для трансформаторов большей мощности k_ок=0,35..0,38 Коэффициент k_м - зависит от толщины листов, их вида и изоляции. Для магнитопроводов из Ш-образных пластин толщиной 0,1 мм, изолированных лаком, можно принять k_м=0,7; при толщине пластин 0,2мм - k_м=0,85; при толщине пластин 0,35 мм k_м=0,91. Если пластины изолированны фосфатной плёнкой, то можно принимать k_м=0,75; 0,89;0,94 соответственно.

Рисунок 17-График выбора индукции в зависимости от от габаритной мощности трансформатора при частоте 50Гц для сталей: 1-Э41; Э43 ; 2 , 3 - Э310 (2- магнитопровод из пластин, 3 - ленточный магнитопровод)



Для маломощных трансформаторов рекомендуются броневые магнитопроводы, позволяющие изготовить трансформаторы меньших размеров и меньшей стоимости. Для выбранного магнитопровода должно выполнятся условие:

Отношение y₁/y не должно превышать 2..2,5. В противном случае необходимо выбрать пластины большего размера. Для кольцевых необходимо выбрать пластины большего размера. Для кольцевых должно выполнятся условие:

Таблица 3 - Выбранные параметры магнитопровода Ш-образный броневой магнитопровод. Типоразмер: Ш12х10

Параметр	Значение
H	42 мм
h	30 мм
L	48 мм
b	12 мм
y	12 мм
y1	10 мм

Рисунок 18-Магнитопровод из штампованных пластин: Ш - образный (броневой).

Определяем количество витков провода для каждой из обмоток:

где U_i - напряжение на i-ой обмотке, В; f - частота, Гц; B_m - амплитуда магнитной индукции, Т; S_м-площадь, см²; Число витков вторичных обмоток следует увеличить на 2..5%, чтобы учесть внутреннее падение напряжения. Наибольшее значение относится к трансформаторам с мощностью до 10 В*А, наименьшее - к трансформаторам с номинальной мощностью не менее 200 В*А.

Рассчитаем площадь сечения магнитопровода Ш-образной конструкции:

Расчитываем количество витков каждой обмотки :

Определяем диаметры проводов по формуле:

где I_i - ток i-ой обмотки, А; j - плотность тока, А/мм²; Ток в первичной обмотке примерно равен 1,1 P_ном/U₁

Из формулы (20 ) находим:

Проверка правильности компоновки трансформатора производится путём определения числа витков в слое цилиндрической обмотки:

где h - высота окна, мм; _к - толщина материала каркаса, мм; d_из - диаметр провода, мм, с изоляцией;

Число слоёв обмотки

N_сл = w/w_сл,

где w - число витков обмотки. Толщина обмотки

_об = N_{сл *}(d_из+_из),

где _из - толщина изоляции между слоями. Должно выполняться условие:

где _об - суммарная толщина всех обмоток; _пр - суммарная толщина всех прокладок между обмотками.; b - ширина окна. Если это условие не выполняется следует увеличить размер магнитопровода.

Определим значения резисторов на делителе R1-R2, задающем выходное напряжение на микросхеме DD1. Номиналы резисторов R1, R2 выбираются из выражения:

При этом ток делителя должен быть более чем 1,5 мА.

Требуемое выходное напряжение 2.5В, следовательно:

Зададимся R1=100 Ом, и найдём R2:

6. Расчет показателей надежности

При анализе надёжности сложных систем их разбивают на отдельные элементы с тем, чтобы вначале рассмотреть параметры и характеристики этих элементов, а затем оценить работоспособность всей системы в целом.

6.1 Математические модели для расчета интенсивностей отказов основных комплектующих изделий

Математическая модель для расчета интенсивностей отказов резисторов, конденсаторов, полупроводниковых элементов, трансформаторов и моточных изделий:

л_Э= л₀*б_i*K₁*K₂*K₃*K₄

где л₀ - номинальное значение интенсивности отказов перечисленных КИ, соответствующее коэффициенту электрической нагрузки K_н = 1 и температуре окружающей среды T⁰C = +20⁰C.

Значения л₀ выбираются из соответствующих таблиц:

б_i=f(K_н, T⁰C) - поправочные коэффициенты, значения которых выбираются из соответствующих таблиц:

б₁ - поправочный коэффициент для определения л_Э резисторов выбирается из таблицы;

б₂ - поправочный коэффициент для определения л_Э конденсаторов выбирается из таблицы;

б₃ - поправочный коэффициент для определения л_Э полупроводниковых приборов выбирается из таблицы;

б₄ - поправочный коэффициент для определения л_Э трансформаторов и моточных изделий (дросселей, катушек индуктивности) выбирается из таблицы.