Учет расхода газа на ГРП технологического объекта

002. КП.ЗАДАНИЕ .doc

Министерство образования и науки РФ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ковровская государственная технологическая академия
имени В.А.Дегтярева»
СТУДЕНТКЕ Кашириной Анне Сергеевне
Тема проекта: Учет расхода газа на ГРП технологического объекта
Срок сдачи студентом законченного проекта .
Исходные данные к проекту см. техническое задание.
Содержание расчётно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)
1. Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа
2.Обоснование и разработка структурно-функциональной схемы
измерения расхода газа.
3.Анализ применяемых датчиков давления и перепада давления.
4. Анализ применяемых датчиков температуры.
5. Разработка конструкции датчика давления (перепада давления).
6. Разработка конструкции датчика температуры
7.Разработка конструкции вычислителя
8. Разработка схемы электрической принципиальной блока преобразования
9.Разработка схемы электрической принципиальной блока отображения
10 Расчет конструктивных параметров платы блока преобразования
11 Расчет конструктивных параметров платы блока отображения информации.
12. Разработка общего вида вычислителя.
13.Расчет показателей надежности
Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)
)Функциональная схема измерителя расхода газа-1л. А1
)Схема электрическая принципиальная блока преобразования и вычисления
) Вычислитель расхода газа. Чертеж общего вида-1л А1
Дата выдачи задания .
Задание принял к исполнению .

001.СХЕМА.dwg

грузом Р = 17 кг вал
Усилие на динамометре должно быть не менее 17 кг.8
не превышает 1%. 3%.
Форма 1а ГОСТ 2.503-90
Содержание изменения
от 8 до 10 В частотой
Документ МКРН.731171.045 восстановить.
Без графика подготовки производства
По ркзультатам изготовления
Внедрить с 3 образца
Втулку поз.5 прессовать на вал поз.3 до установки магнитов поз. 8 и 9.
Температура сушки не выше 70° С.
серая ГОСТ 9640-85(1).
При транспортировке ротора на упаковке должен быть наклеен ярлык
Неуказанные шероховатости поверхностей .
*Размер для справок.
клей ВС-10Т ГОСТ 22345-77.
с усилием натяжки 90% от усилия разрыва в два слоя. При намотке нити наносить
крепить нитью поз.13
намоткой ее по образующей поверхности
Ротор имеет мощное внешнее магнитное поле!
Остальные ТТ по БС0.005.004 ТУ.
с предупреждающей надписью "Осторожно! Намагничено! Возникает большое
усилие притяжения (отталкивания) между изделиями и с ферромагнитными
вызывающее сильный удар
Внедрить с 1 образца
По результатам изготовления
МКРН.526172.004 ВД-1200
Документы МКРН.526172.004
МКРН.711322.026 заменить.
Документ МКРН.713141.077 аннулировать.
Примечание. Документ МКРН.685621.018 применен.
На заделе не отражается
бирки ставить на клее ХВК-2а ТУ 6-10-463-75.
надеваться на контакты разъемов. Для исключения сползания
в качестве электроизоляционных трубок. Бирки должны плотно
бирками поз. 52 по ОСТ 4Г 0.050.001. Бирки использовать
Концы монтажных проводов маркировать маркировочными
Паз Л должен быть распололожен напротив вилки Х2.
Поверхности З покрыть смазкой ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
ВК-9 ОСТ 4Г 0.029.204.
проведения приемосдаточных испытаний ставить на клей
Ротор К трансформатора поз.53
Размер Е обеспечить подбором колец поз 10.
заполнить мастикой пломбировочной.
Пломбировать по ГОСТ 18680-73. Гнезда под пломбы
Температура нагрева корпуса поз.13 - 130`C.
стопорить по ОСТ4 ГО.019.200 вид 25Г.
Надписи маркировать эмалью ПФ-115
ГОСТ9640-85. Шрифт 5-ПР3
ТТ к электромонтажу по ГОСТ В 23584-79.
поверхности ротора не допускается.
При сборке наличие стружки
металлических включений на
МКРН.526172.004 Э4.Паять припоем ПОС 61 или ПОС Су 61-05
Электромонтаж производить согласно схеме соединений
*Размеры для справок
Магнитопровод поз.3 запрессовать в корпус поз.13.
клей ВС-10Т ГОСТ 22345-77.Температура полимеризации не выше +70° C.
отв.М5-7Н10min-15H15
Клей наносить на наружную поверхность статора
равномерно по периметру в трех точках.
Штифты закернить в двух точках.
- Штифт 4х8 (66.016.38
RCэ) ГОСТ 3128-70 - 2шт.
МКРН.526172.002 ВД-400
Инструкция по настройке
Магнитопровод поз.5 запрессовать в корпус поз.21.
МКРН.526172.002 Э4. Паять припоем ПОС 61 или ПОССу 61-0
стопорить по ОСТ 4Г О.019.200 вид 25Г.
Температура нагрева корпуса поз.21 - 130`C.
Размер Д обеспечить подшлифовкой втулки поз.19. с со-
Ротор трансформатора поз.57
Поверхности Ж и вылет вала покрыть смазкой ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
Планку фирменную поз.27 ставить на клей ВК-9 ОСТ 4Г 0.029.204.
поз. 51 по ОСТ 4Г 0.050.001. Бирки поз.51 и бирки жгута поз.6 использовать
Концы монтажных проводов маркировать маркировочными бирками
Жгут поз.6 крепить по месту к крышке поз.17 клеем
хранением требований к шероховатости втулки.
Сплав Д16 ГОСТ 4784-74
ГОСТ 22369-77(2).V.Т2
кроме поверхностей Е. Резьба без покрытия.
грунтовка АК-070 ГОСТ 25718-83(1)
эмаль ЭП-567 защитная
и стабилизирующее старение по режиму II Р4.054.103-89.
Произвести упрочняющую обработку по режиму I
Покрытие: Ан. Окс. нхр. Наружные поверхности покрыть
Надписи гравировать Шрифт 5-Пр3 ГОСТ 26.000-85.
Стойка МКРН.753125.030
Измерительный цифровой преобразователь
ПЭВМ-Персональная электронно-вычислительня машина
АЛУ-Арифметико-логическое устройство
АЦП-Аналогово-цифровой преобразователь
ОЗУ-оперативное запоминающее устройство
ПЗУ-постоянное запоминающее устройство
USART-интерфейс USART-универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик
КП.ПиСАК и У.200101.04.01.

003. БП и В. ОВ.dwg

грузом Р = 17 кг вал
Усилие на динамометре должно быть не менее 17 кг.8
не превышает 1%. 3%.
Форма 1а ГОСТ 2.503-90
Содержание изменения
от 8 до 10 В частотой
Документ МКРН.731171.045 восстановить.
Без графика подготовки производства
По ркзультатам изготовления
Внедрить с 3 образца
Втулку поз.5 прессовать на вал поз.3 до установки магнитов поз. 8 и 9.
Температура сушки не выше 70° С.
серая ГОСТ 9640-85(1).
При транспортировке ротора на упаковке должен быть наклеен ярлык
Неуказанные шероховатости поверхностей .
*Размер для справок.
клей ВС-10Т ГОСТ 22345-77.
с усилием натяжки 90% от усилия разрыва в два слоя. При намотке нити наносить
крепить нитью поз.13
намоткой ее по образующей поверхности
Ротор имеет мощное внешнее магнитное поле!
Остальные ТТ по БС0.005.004 ТУ.
с предупреждающей надписью "Осторожно! Намагничено! Возникает большое
усилие притяжения (отталкивания) между изделиями и с ферромагнитными
вызывающее сильный удар
Внедрить с 1 образца
По результатам изготовления
МКРН.526172.004 ВД-1200
Документы МКРН.526172.004
МКРН.711322.026 заменить.
Документ МКРН.713141.077 аннулировать.
Примечание. Документ МКРН.685621.018 применен.
На заделе не отражается
бирки ставить на клее ХВК-2а ТУ 6-10-463-75.
надеваться на контакты разъемов. Для исключения сползания
в качестве электроизоляционных трубок. Бирки должны плотно
бирками поз. 52 по ОСТ 4Г 0.050.001. Бирки использовать
Концы монтажных проводов маркировать маркировочными
Паз Л должен быть распололожен напротив вилки Х2.
Поверхности З покрыть смазкой ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
ВК-9 ОСТ 4Г 0.029.204.
проведения приемосдаточных испытаний ставить на клей
Ротор К трансформатора поз.53
Размер Е обеспечить подбором колец поз 10.
заполнить мастикой пломбировочной.
Пломбировать по ГОСТ 18680-73. Гнезда под пломбы
Температура нагрева корпуса поз.13 - 130`C.
стопорить по ОСТ4 ГО.019.200 вид 25Г.
Надписи маркировать эмалью ПФ-115
ГОСТ9640-85. Шрифт 5-ПР3
ТТ к электромонтажу по ГОСТ В 23584-79.
поверхности ротора не допускается.
При сборке наличие стружки
металлических включений на
МКРН.526172.004 Э4.Паять припоем ПОС 61 или ПОС Су 61-05
Электромонтаж производить согласно схеме соединений
*Размеры для справок
Магнитопровод поз.3 запрессовать в корпус поз.13.
клей ВС-10Т ГОСТ 22345-77.Температура полимеризации не выше +70° C.
отв.М5-7Н10min-15H15
Клей наносить на наружную поверхность статора
равномерно по периметру в трех точках.
Штифты закернить в двух точках.
- Штифт 4х8 (66.016.38
RCэ) ГОСТ 3128-70 - 2шт.
МКРН.526172.002 ВД-400
Инструкция по настройке
Магнитопровод поз.5 запрессовать в корпус поз.21.
МКРН.526172.002 Э4. Паять припоем ПОС 61 или ПОССу 61-0
стопорить по ОСТ 4Г О.019.200 вид 25Г.
Температура нагрева корпуса поз.21 - 130`C.
Размер Д обеспечить подшлифовкой втулки поз.19. с со-
Ротор трансформатора поз.57
Поверхности Ж и вылет вала покрыть смазкой ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
Планку фирменную поз.27 ставить на клей ВК-9 ОСТ 4Г 0.029.204.
поз. 51 по ОСТ 4Г 0.050.001. Бирки поз.51 и бирки жгута поз.6 использовать
Концы монтажных проводов маркировать маркировочными бирками
Жгут поз.6 крепить по месту к крышке поз.17 клеем
хранением требований к шероховатости втулки.
Сплав Д16 ГОСТ 4784-74
ГОСТ 22369-77(2).V.Т2
кроме поверхностей Е. Резьба без покрытия.
грунтовка АК-070 ГОСТ 25718-83(1)
эмаль ЭП-567 защитная
и стабилизирующее старение по режиму II Р4.054.103-89.
Произвести упрочняющую обработку по режиму I
Покрытие: Ан. Окс. нхр. Наружные поверхности покрыть
Надписи гравировать Шрифт 5-Пр3 ГОСТ 26.000-85.
Стойка МКРН.753125.030
- разъем сигналов датчиков;
- органы управления;
Вид со снятой крышкой
Преобразователь устанавливается в месте защищенном от
существенных вибраций (исполнение L1 по устойчивости)
КП.ПиСАК и У.200101.04.03.

002.ПР ЭС.dwg

Designed by CAD InterMech system
микросхемы DA10 подключить к цепи С.
Вывод 4микросхемы DA4 подключить к цепи С.
Вывод 4 микросхем DA2
DA3 подключить к цепи D.
Вывод 8 микросхем DA2 DA4 подключить к цепи F.
Вывод 14 микросхемы DA10
DA11 подключить к цепи А.
Вывод 7 микросхемы DA10
DA11 подключить к цепи С.
Вывод 20 микросхем DA6
DA9 подключить к цепи А.
Вывод 10 микросхем DA6
DA9 подключить к цепи С.
5 микросхемы DA5 подключить к цепи А.
1 микросхемы DA5 подключить к цепи С.
КП.ПиСАК и У.200101.04.02.

Перечень элементов.doc

Перечень элементов для схемы электрической
Резонатор кварцевый РК319 5000М аЦ0.338.105ТУ
Конденсатор К10-17а-М1500-470пФ+-10%-В ОЖ0.460.172ТУ
Конденсатор К10-17в-М47-33пФ+-10% ОЖ0.460.172ТУ
Конденсатор К10-17а-М47-10пФ+-10%-В ОЖ0.460.172ТУ
Конденсатор К53-46-10В-10мкФ+-10% АДПК.673546.002ТУ
Конденсатор К10-17в-Н90-01мкФ ОЖ0.460.172ТУ
Конденсатор К53-46-20В-10мкФ+-20% АДПК.673546.002ТУ
Конденсатор К10-17в-Н90-047мкФ ОЖ0.460.172ТУ
Микросхема TMS320F243PGEA
Микросхема КР1554ИР22 АДБК.431200.005-06ТУ
Микросхема КР1554ЛЕ1 АДБК.431200.005-04ТУ
Микросхема КР1554ЛА3 АДБК.431200.005-01ТУ
Микросхема MAX485ESA
Резистор С2-33Н-0125-120Ом+-5%-А ОЖО.467.173ТУ
Резистор С2-29В-0062-10кОм+-05%-10-А ОЖ0.467.130ТУ
Резистор С2-29В-0062-681кОм+-05%-10-А ОЖ0.467.130ТУ
Резистор СП5-2ВА-05-10кОм+-10% ОЖО.468.561ТУ
Резистор С2-33Н-0125-75Ом+-5%-А ОЖО.467.173ТУ
Резистор С2-29В-0062-2кОм+-05%-10-А ОЖ0.467.130ТУ
Резистор С2-29В-0062-1кОм+-05%-10-А ОЖ0.467.130ТУ
Резистор С2-29В-0062-741кОм+-05%-10-А ОЖ0.467.130ТУ
Резистор Р1-12-025-1кОм+-5%-А ОЖО.467.169ТУ
Резистор Р1-12-025-10кОм+-5%-А ОЖО.467.169ТУ
Резистор Р1-12-025-56кОм+-5%-А ОЖО.467.169ТУ
Резистор С2-33Н-0125-24кОм+-5%-А ОЖО.467.173ТУ
Вилка 612C96M DIN41612

001.ТИТУЛ КП.doc

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ковровская государственная технологическая академия
имени В.А.Дегтярева»
Кафедра Приборостроения
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине
«ПиСАКиУ» на тему :
Учет расхода газа технологического объекта
Студентка гр. ВП-109 Каширина А.С.
Руководитель Кабаева О.Н.

004.КП.doc

Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа 9
Анализ первичных преобразователей для счетчиков 13
Разработка структурно-функциональной схемы .. .16
1.Задачи разработки 16
2.Учет особенностей ГРП ..16
3. Состав структурно-функциональной схемы .. .17
4.Описание работы структурно-функциональной схемы . 18
Выбор измерительных датчиков ..19
1. Датчик оборотов ..19
2. Датчик температуры .20
2.1.Типы датчиков температуры .20
2.2.Выбор датчиков температуры .21
2.3. Особенности конструкции термометров сопротивления 22
2.4.Особенности монтажа термометра сопротивления на
3. Датчик давления ..27
3.1. Емкостной датчик давления 27
3.2 Вибрационно-частотный способ преобразования .27
3.3 КНС преобразователи 29
3.4 КНК преобразователи .30
3.5 Анализ конструкций и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков давления ведущих мировых производителей ..31
3.6. Конструктивное устройство датчика давления .33
3.7.Электронный преобразователь датчика давления 33
4.Обеспечение взрывозащищенности датчиков 35
Разработка схемы преобразователя расхода ..36
1 Выбор и работа микроконтроллера ..36
2. Анализ возможных интерфейсов с ПК диспетчеризации 38
2.1 Интерфейс USB .38
2.2. Интерфейс Ethernet ..39
2.3. Интерфейс CAN 39
2.4 Интерфейс RS-232 40
3.Расчет элементов блока питания 41
Расчет показателей надежности 46
1. Математические модели для расчета интенсивностей отказов основных комплектующих изделий 46
2. Расчет суммарной эксплуатационной интенсивности отказов .50
Точностной анализ схемы (расчет) .. . 51
Библиографический список 56
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
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.
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.
1. 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.
– коэффициент расширения учитывающий увеличение удельного
F-площадь сужающего устройства;
Δp -перепад создаваемый сужающим устройством;
C – коэффициент истечения представляющий собой отношение действительного расхода к теоретическому.
Произведение C*E=α называют коэффициентом расхода.
Е -коэффициент скорости входа учитывающий влияние начальной скорости потока на образование коэффициента расхода α ;
Плотность газа зависит от :
ρс – плотности при стандартных условиях;
p – абсолютного давления;
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 ±05 – 15 % использование тахометрических преобразователей позволяет снизить погрешность преобразования расхода в частоту вращения преобразователя до ±03 %.
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:
отсутствие перепада давлений
высокое быстродействие;
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 ISOTR 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 ±05% 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.
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:
-конструктивные требования.
Проведем сравнительный анализ датчиков [789](см. таблицу 1.)
Чувстви-тельный элемент
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 01мкм при измерении линейных перемещений и до 02 “ при измерении
угловых перемещений.
Разрешающая способность растровых дисков ограничивается различимой длиной элемента кода.
в)оптические угловые (поворотные) кодирующие устройства: шифраторы приращений иили 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.
Разработка структурно-функциональной схемы
При разработке узла учета газа для ГРП технологического объекта должны решаться следующие задачи 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.
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 редуцирования (в т.ч. на собственные нужды);
-узел замера расхода газа;
В отсеке управления размещаются (категория отсека по взрывопожарной безопасности - Д):
-отопительный агрегат с обвязкой;
-узел контроля и управления технологическими
-узел аварийно-предупредительной сигнализации;
-рабочее место оператора ГРП.
Учитывая место размещения узла учета газа необходимо предусмотреть технические меры по пожарной безопасности.
3.Состав структурно-функциональной схемы
В состав схемы должны входить следующие компоненты:
Первичный преобразователь (датчик) поворота и подсчета числа оборотов счетчика.
Первичный преобразователь (датчик) температуры газа для введения корректировки в расчет величины расхода.
Первичный преобразователь (датчик) давления газа газа для введения корректировки в расчет величины расхода.
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
Блок питания- питающий электронную схему.
ЖК модуль – блок передающий информацию для отображения значение расхода газа в виде десятичных цифр.
Интерфейс связи с ПЭВМ
Клавиатура для изменения значений параметров
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
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.
Выбор измерительных датчиков
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 Prof- 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.
2. Датчик температуры
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.
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 05 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.
2.3. Особенности конструкции термометров сопротивления
Конструктивно термометр сопротивления представляет 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 9который 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 100ºС.
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.
Номинальные сопротивленияом
Диапазон измерения температур
Допустимое отклонение%
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
В настоящее время разработано несколько способов преобразования давления в электрический выходной сигнал: тензорезистивный ёмкостной вибрационно-частотный тензорезисторный.
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.
3.2 Вибрационно-частотный способ преобразования
Действие струнных преобразователей давления основано на зависимости собственной частоты 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.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 (001%) включая влияние нелинейности повторяемости гистерезиса) и стабильность выходного сигнала (01% 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.
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)
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 таблице1 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)
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. 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 150Ом на квадрат
Рисунок 14 - Чувствительный элемент датчика 265DS компании АВВ
Ведущие мировые производители датчиков давления используют в качестве материала для изготовления чувствительных элементов кремний.
Ведущие мировые производители датчиков давления используют кремниевые чувствительные элементы с тензомостом из диффузионных резисторов.
Технология плазмохимического травления позволяет упростить процесс формирования мембран.
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.
Соединение анодной посадкой позволяет упростить конструкцию датчиков исключив эвтектическое соединение кремниевых пластин и промежуточную керамическую плату.
3.6. Конструктивное устройство датчика давления
Датчик (рис.15) 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 015-80 МГц по ГОСТ Р 51317.4.6.
3.7.Электронный преобразователь датчика давления
Электронный преобразователь датчика состоит из фильтра радиопомех и
платы микропроцессора которая содержит следующие функциональные узлы (рисунок 16):
- 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 15 –Датчик давления
Рисунок 16 –Электронный преобразователь давления
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
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.
Разработка схемы преобразователя расхода
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.
2. Анализ возможных интерфейсов с ПК диспетчеризации
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 Мбитс (187.5 Кбайтс). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур мышей джойстиков).
Full Speed. Поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных — 12 Мбитс (1.5 Мбайтс). 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 Мбитс (60 Мбайтс).
Super-Speed. Поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных — 4.8 Гбитс (600 Мбайтс).
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.
2.2. Интерфейс Ethernet
Название Ethernet происходит от английского слова "ether" — "эфир" ( радиоэфир). Стандарт со скоростью 100 Мбитс 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 Гбитс. Для передачи информации может использоваться как витая пара так и оптоволокно.
Стандарт IEEE 802.3aе обеспечивает поддержку передачи данных работы Ethernet-сетей до 10 Гбитс. 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 Гбитс. Поддерживается расстояния от 10 метров (по медному кабелю) и до 40 км (по оптоволокну).
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 TCPIP.
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 .
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.
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 (Uк);
возможность коммутации тока до 5мА;
малое время включения (tвкл5мкс) и выключения (tвыкл5мкс) для обеспечения скорости обмена.
Диод V15 служит для защиты излучающего диода оптопары V12 от превышения обратного напряжения (-12В) которое должно быть не более 05В. Таким образом за отрицательный интервал времени действия напряжения -12В обратное напряжение на излучающем диоде не превысит 03В 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
3 Расчет элементов блока питания
Блок питания включает в себя трансформатор двухполупериодные выпрямители сглаживающие конденсаторы и стабилизатор напряжения). Основным элементом блока питания является трансформатор.
Рном-номинальная мощность трансформатора Pмп-мощность потерь в магнитопроводе Pоб-мощность потерь в обмотках.
Определим номинальную мощность трансформатора:
Определим данные магнитопровода:
где Sм-площадь сечения магнитопровода см2; Sок-площадь окна магнитопровода см2; Pном-мощность Вт; f- частота питающей сети Гц; Bm- амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе Т; j- плотность тока Амм2; kок- коэффициент заполнения окна магнитопровода; kм- коэффициент заполнения сечения стержня магнитопровода. Значение Bm- можно выбират
по графику (рисунок 17) в зависимости от габаритной мощности трансформатора Pг»(105..13)Pном и марки стали. Наибольшее значение коэффициента при Pном соответствует трансформаторам с Pном10 В*А наименьшее – трансформаторам с Pном>100 В*А. Плотность тока в значение коэффициента при Pном соответствует трансформаторам с Pном10 В*А наименьшее – трансформаторам с Pном>100 В*А. Плотность тока в меньше номинальная мощность трансформатора). Для броневых трансформаторов с Pном=15..50 В*А можно принимать kок=022..028 с Pном=50..150 В*А – kок=028..034 и для трансформаторов большей мощности kок=035..038 Коэффициент kм – зависит от толщины листов их вида и изоляции. Для магнитопроводов из Ш-образных пластин толщиной 01 мм изолированных лаком можно принять kм=07; при толщине пластин 02мм - kм=085; при толщине пластин 035 мм kм=091. Если пластины изолированны фосфатной плёнкой то можно принимать kм=075; 089;094 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 y1y не должно превышать 2..25. 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
Рисунок 18-Магнитопровод из штампованных пластин:
Ш-образный (броневой).
Определяем количество витков провода для каждой из обмоток:
где U f - частота Гц; Bm – амплитуда
магнитной индукции Т; Sм-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 j – плотность тока Амм2; Ток в первичной обмотке примерно равен 11 PномU1
Из формулы (20 ) находим:
Проверка правильности компоновки трансформатора производится путём
определения числа витков в слое цилиндрической обмотки:
где h – высота окна мм; dк – толщина материала каркаса мм; dиз – диаметр провода мм с изоляцией;
Число слоёв обмотки Nсл = wwсл где w – число витков обмотки. Толщина обмотки dоб = Nсл *(dиз+dиз) где dиз – толщина изоляции между слоями. Должно выполняться условие:
где dоб – суммарная толщина всех обмоток; dпр – 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 15 мА.
Требуемое выходное напряжение 2.5В следовательно:
Зададимся R1=100 Ом и найдём R2:
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.
1. Математические модели для расчета интенсивностей отказов основных комплектующих изделий.
1.1. Математическая модель для расчета интенсивностей отказов резисторов конденсаторов полупроводниковых элементов трансформаторов и моточных изделий:
где λ0 – номинальное значение интенсивности отказов перечисленных КИ соответствующее коэффициенту электрической нагрузки Kн = 1 и температуре окружающей среды T0C = +200C.
Значения λ0 выбираются из соответствующих таблиц:
αi=f(Kн T0C) – поправочные коэффициенты значения которых выбираются из соответствующих таблиц:
α1 – поправочный коэффициент для определения λЭ резисторов выбирается из таблицы;
α2 – поправочный коэффициент для определения λЭ конденсаторов выбирается из таблицы;
α3 – поправочный коэффициент для определения λЭ полупроводниковых приборов выбирается из таблицы;
α4 – поправочный коэффициент для определения λЭ трансформаторов и моточных изделий (дросселей катушек индуктивности) выбирается из таблицы.
Ki – поправочный коэффициент учитывающий действия внешних воздействующих факторов и выбирается из соответствующих таблиц:
K1K2 – поправочные коэффициенты учитывающие воздействия соответственно вибрациям и ударных нагрузок на неамортизированную аппаратуру значения данных коэффициентов выбираются из таблицы;
K3 – поправочный коэффициент учитывающий влажность и температуру окружающей среды выбирается из таблицы;
K4 – поправочный коэффициент учитывающий изменение λЭ в зависимости от высоты над уровнем моря выбирается из таблицы.
1.2. Математическая модель для расчета интенсивности разъемов:
λЭ= λ0KксKккK1K2K3K4
где λ0 - номинальное значение интенсивности отказов разъемов выбирается из таблицы;
Kкс – коэффициент зависящий от количества сочленений-расчленений выбирается из таблицы;
Kкк – коэффициент зависящий от количества задействованных контактов значения данного коэффициента вычисляется по формуле:
где N – количество задействованных контактов;
Ki – (i = 1234) выбираются соответственно из таблиц.
1.3 Математическая модель для расчета интенсивности отказов электрических кабелей проводов шнуров:
где λ0 [] - номинальное значение интенсивности отказов разъемов выбирается из таблицы;
L – суммарная длина кабеля (провода шнура); для изделий с L ≤ 3 м допускается принимать L = 1 м;
KФ – функциональный коэффициент значение данного коэффициента вычисляется по формуле:
где Eа – условная энергия активации кДжгрмоль;
RГ = 83144 – универсальная газовая постоянная джградгмоль;
Kt – температурный коэффициент зависящий от рабочей температуры окружающей среды в аппаратуре; оределяется по формуле:
где tб – базовая температура равная 250С или 1000С (по типу кабеля);
tp – рабочая максимальная температура в аппаратуре (изделии);
Как правило максимальная температура изделия с учетом перегрева находится в диапазоне 700С – 800С.
Величина условной энергии активации (в среднем) в достаточно широком диапазоне имеет уровень Eа 85 кДжгмоль. С учетом указанных ограничений для практических расчетов в формуле (10) рекомендуется использовать значения KФ = 90 (при tб = 250C).
1.4. Математическая модель для расчета интенсивности отказов соединений (паек):
где λ0 - номинальное значение интенсивности отказов паек;
n – количество паек в изделии;
2. Расчет суммарной эксплуатационной интенсивности отказов
Интенсивность отказов элементов входящих в состав прибора
Наименование элементов
Интенсивность отказов одного элемента
Общая интенсивность отказов
Поворотный шифратор
Печатный проводник на стеклотекстолите
Суммарная интенсивность отказов преобразователя:
Вероятность безотказной работы за 1000 часов равна:
Из проведенных расчетов следует что за период работы равный 1000ч. в 99% случаев преобразователь расхода воды остается работоспособным
Точностной анализ схемы.
Для точностного анализа схемы необходимо рассмотреть входную измерительную цепь и схему преобразования сигнала
Погрешность схемы преобразования состоит из погрешности связанной с разбросом значений элементов схемы (технологическая) и погрешностью связанной с влиянием внешних факторов (температуры).
Эти погрешности в преобразователях обычно минимизируются с помощью алгоритма калибровки (градуировки).
Перед каждым измерением происходит определение крутизны преобразования (калибровка) путем подачи на вход измерительной схемы калибровочных напряжений
Для проектируемого прибора точность схемы преобразования сигнала можно рассматривать как точность разности калибровочных напряжений.
Точность источника опорных напряжений входной измерительной цепи [14] :
Rt = Rt мах =380 Ом01%
Подставив числовые значения получим:
Точность напряжение калибровки.
Подставив численные значения получим:
Погрешность схемы будет равна:
В курсовом проекте в соответствии с техническим заданием
разработан преобразователь расхода газа с использованием
фотоэлектрического абсолютного шифратора и с коррекцией
параметров расхода по температуре и давлению.
Особенности конструкции шифратора и схемы
преобразования позволяют более точно измерять расход газа.
В проекте представлена схема электрическая принципиальная
общий вид расчет блока питания.
Учтены особенности учета расхода газа в искроезопасном
Исполнении датчиков давления и температуры.
Применение в общей схеме подключения питания и схеме работы
с интерфейсом блока искробезопасности.
Особенность схемного решения позволит разработать на базе
счетчика расхода газа регулятор расхода газа с заданными параметрами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов
методом переменного перепада давления. Диафрагмы сопла ИСА 1932 и трубы Вентури установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. – ИПК Изд-во стандартов 1998.
ГОСТ 8.586.1-5–2005 Измерение расхода и количества жидкостей и
газов с помощью стандартных сужающих устройств. М.: ИПК Издательство стандартов 2007.
Пистун Е.П. Лесовой Л.В. Уточнение коэффициента истечения стандартных диафрагм расходомеров переменного перепада давления Датчики и системы. – 2005. – №5. С. 14-16.
Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. СПб.:
Политехника 2002. 410с.
Бобровников Г.Н. Новожилов Б.М. Сарафанов В.Г. Бесконтактные
расходомеры. М.: Машиностроение 1985. 128с.
Биргер Г.И. Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия 1964. 382с.
Расходомеры преобразователи счетчики. Челябинск.: Метран 2007-с. 368
Расходомеры и счетчики.Н.Новгород.:Повольжье2012-с 351
.Кузнецов А.Д. Приборы для измерения расхода количества жидкостиИзвестия Томского политехнического университета (ТПУ) № 3-2012-с. 8
Шило В. Л. Популярные микросхемы ТТЛ. М. Аргус 1993 ISBN 5-85549-004-1
ГОСТ 2.206-96. Текстовые документы.
ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам.
ГОСТ 2.004-88. Общие требования к выполнению конструкторских
и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.
ГОСТ 2.109-73. Основные требования к чертежам.
ГОСТ 7.1-84 СИБИД. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления.
ГОСТ 7.32-2001 СИБИД. Отчет о научно-исследовтельской работе. Структура и правила оформления.
ГОСТ 7.9-95 (ИСО 214-76) СИБИД. Реферат и аннотация. Общие требования.
ГОСТ 7.54-88 СИБИД. Представление численных данных о свойствах веществ и материалов в научно-технических документах. Общие требования.
ГОСТ 8.417-2003. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин.
ГОСТ Р 27.002-2009 (ГОСТ Р 53480–2009) - Надежность в технике.
Термины и определения.
ГОСТ 30.001-83. Система стандартов эргономики и технической
эстетики. Основные положения.