Система измерения и регистрации уровня жидкости в резервуаре

Принципиалка.CDW

ПЗ.doc

Техническое задание 3
Краткий обзор технических средств измерения уровня жидкости в
2. Физические основы метода 6
3. Ультразвуковой датчик уровня Х1600 7
3.1. Назначение датчика Х1600 7
3.2. Принцип работы датчика Х1600 8
3.3. Конструктивные особенности датчика Х1600 12
Система измерения и регистрации уровня жидкости в резервуаре 14
1. Описание и расчет принципиальной схемы 17
1.1. Расчет усилительного каскада 17
1.3. Блок канала опорных напряжений 23
1.5. Блок интерфейса с компьютером 24
1.6. Микроконтроллер КР1816ВЕ51 25
1.7. Таймер – счетчик 27
1.8. Последовательный интерфейс 28
1.9. Стабилизатор напряжения 29
2. Интерфейс RS-232 30
3. Расчет мощности потребляемой устройством 31
Метрологическая часть 32
1. Методическая погрешность определения уровня 32
2. Погрешность усилителей 32
3. Погрешность компаратора 35
Список литературы 37
Приложение 1. ОУ К574УД1 38
Приложение 2. Компаратор К554СА3 39
Приложение 3. Мультиплексор К155КП1 40
Приложение 4. Буферный регистр КР580ИР82 42
Приложение 5. Микросхема памяти К573РФ5 44
Приложение 6. Микроконтроллер КР1816ВЕ51 45
Приложение 7. Трансформатор 47
Приложение 8. Стабилизатор 48
Приложение 9. Плавкий предохранитель 49
В промышленности и во многих отраслях хозяйства весьма
распространенной задачей является измерение уровня а также его
Компании добывающие транспортирующие или потребляющие нефть и
нефтепродукты стоят перед проблемой учета каждого грамма или литра нефти
или нефтепродукта. Этот учет напрямую определяет прибыль компании.
Несовершенство же измерительных устройств приводит к тому что часть
жидких продуктов не учитывается и таким образом теряется.
Российские производители нефти и нефтепродуктов испытывают большую
потребность в точных деловых и современных системах контроля и управления
технологическим оборудованием. Решением этой проблемы может стать
установка не дорогих устройств сопряжения с уже имеющимся оборудованием.
Современная промышленность выпускает огромное количество самых
разнообразных уровнемеров. К сожалению рамки данной работы не позволяют
рассмотреть и оценить их все поэтому придется ограничиться только лишь
поверхностным обзором.
Преимущества ультразвуковых уровнемеров за последние несколько
лет стало на столько очевидным что и в данной работе я предпочел
разработать систему измерения уровня на основе именно ультразвукового
) Диапазон измерения уровня – (02 – 8) метров.
) Число каналов – 6.
) Время обновления результата измерения – 1 сек.
) Диапазон рабочих температур – (-30 - +60) град.
) Относительная привидённая погрешность не более 15%.
Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей
средой – жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является
технологическим параметром информация о котором необходима для контроля
режима работы технологического аппарата а в ряде случаев для управления
производственным процессом.
Путем измерения уровня можно получать информацию о массе жидкости в
резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения
товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень
измеряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют уровнемерами.
Различают уровнемеры предназначенные для измерения уровня рабочей
среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации
предельных значений уровня рабочей среды – сигнализаторы уровня.
По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого
диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 05–2 м)
предназначены для проведения товароучетных операций а уровнемеры узкого
диапазона (пределы измерений (0 ( (100) мм или (0 ( (450) мм) обычно
используются в системах автоматического регулирования.
В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности
осуществляют различными по принципу действия уровнемерами.
По физическому принципу построения первичных преобразователи уровня
бывают: механические поплавковые буйковые гидростатические весовые;
акустические (локационные диссипативные резонансные); электрические
(кондуктометрические ёмкостные индукционные); оптические (визуальные
фотометрические); тепловые (дилатометрические тензометрические тепло
Рассмотрим вкратце основные типы первичных преобразователей с точки
зрения их физического принципа построения.
Поплавковые используют эффект плавучести поплавка. К жидкости
предъявляются требования малой вязкости достаточной плотности.
Обеспечивает точность 1-5 мм.
Буйковые – основаны на действии закона Архимеда; гидростатичес-кие –
на изменении давления на дне сосуда; весовые – на взвешивании вещества в
сосуде. От жидкости при этом требуется отсутствие налипания на поверхности
буя и стенок а также постоянства удельного веса. Отсюда высокая
составляющая температурной погрешности. Основная погрешность достигает 1-
Акустические (локационные) – основаны на измерении времени прохождения
Диссипативные – на поглощении энергии волны. У последнего метода
недостатками являются нелинейность характеристики и низкий КПД.
Резонансные – используют фиксацию резонансной частоты при которой
возникает стоячая волна. При этом получается громоздкая и сложная
конструкция. Основная погрешность достигает 01%.
Кондуктометрические ( основаны на шунтировании жидкостью. Для этого
жидкость должна быть электропроводной. Однако возможно засаливание датчика.
При этом погрешность составляет 5-10%.
Ёмкостные – использование различий диэлектрической проницаемости
Индуктивные – основаны на различии магнитной проницаемости жидкости и
газа. При этих методах необходимо постоянство температуры и состава
жидкости. Погрешность 01- 05%.
Визуальные – непосредственное наблюдение например в сообщающейся
прозрачной трубке. Необходимое условие - малая вязкость жидкости.
Недостатком является сложность дистанционных измерений и применения в
Фотометрические – используется отражающая способность поверхности.
Погрешность может достичь 01- 001 мм.
Дилатометрический тензорезисторный термоЭДС ( принцип действия
основывается на различии температур и теплопроводности жидкости и газа.
Недостатками являются малый динамический диапазон инертность измерения и
Широкое применение нашли ультразвуковые уровнемеры. Их преимуществом
является возможность использования для контроля как электропроводных так и
неэлектропроводных жидкостей в том числе взрывоопасных и токсичных.
Отсутствие гальванической связи элементов датчиков со средой и возможность
работы при малых акустических и электрических мощностях позволяют применять
ультразвуковые уровнемеры во взрывоопасных условиях. Точность измерений в
среднем составляет от 2 до 4%.
2. Физические основы метода
Метод измерения заключается в установлении соответствия между уровнем
жидкости в резервуаре и временным интервалом между импульсами выходного
сигнала датчика то есть интервал времени равный времени прохождения
ультразвуковой волны от момента излучения ее пьезоизлучателем в звукопровод
до момента достижения поплавка (момент появления импульса ЭДС в
измерительной обмотке) определяет величину уровня жидкости в резервуаре.
Уровень жидкости в резервуаре рассчитывается по следующей формуле:
где Нрез- высота резервуара (расстояние от крышки люка до дна);
hизм- расстояние от верхнего края звукопровода до поплавка (рисунок
) определяемое по формуле:
где Vзв- скорость распространения ультразвуковой волны при данной
температуре по звукопроводу
(t- интервал времени между моментом излучения ультразвуковых
колебаний в звукопроводе и моментом появления импульса ЭДС на измерительной
Рис.1. Датчик и резервуар
3. Ультразвуковой датчик уровня Х1600
3.1. Назначение датчика Х1600
Датчик предназначен для автоматического дистанционного непрерывного
измерения уровня жидкости в закрытом металлическом резервуаре и выдачи
результата измерения в ЭВМ. Предусмотрены варианты исполнения датчика для
различных климатических условий.
Датчик устанавливается непосредственно в крышке резервуара
соединяется с ЭВМ линией связи представляющей собой радиочастотный
коаксиальный кабель.
Ниже приведены основные технические характеристики датчика:
- диапазон измерения см 0 – 1200
- нижний измеряемый уровень см не менее 15
- дискретность измерения см 01
- параметры контролируемой среды:
а) контролируемая среда – нефть вода ШФЛУ
б) рабочее избыточное давление мПа не более 004
в) температура град. 0 50
г) плотность г см3 не менее 05
- основная погрешность датчика при длине линии связи 400 м не более 2
- дополнительная температурная погрешность на каждые 100С контролируемой
- длина линии связи м не более 400 м
- периодичность измерений с не более 12
- вид взрывозащиты – безопасная электрическая цепь;
- напряжение питания В 220
- частота напряжения питания Гц 50(2
- потребляемая мощность Вт не более 10
- габаритные размеры датчика мм не более 150 х 150 х200Н
где Н – диапазон измерения датчика;
- масса датчика кг не более 8
3.2. Принцип работы датчика Х1600
Принцип работы датчика с физической точки зрения заключается в
последовательном преобразовании одних физических величин в другие.
Структурная схема датчика Х1600 изображена на рисунке 2.
Рис.2. Структурная схема датчика Х1600
В начальный момент времени генератор формирует импульс напряжения:
который прикладывается к пьезоэлементу. В качестве пьезоэлемента
используется пьезокерамика в которой под действием напряжения U(t)
возникает механическая деформация то есть мгновенное изменение толщины
пластинки пьезокерамики. Эта механическая деформация характеризуется силой:
где U - величина приложенного напряжения
( - постоянная величина называемая пьезоэлектрческим модулем
В датчике Х1600 генератор формирует импульс длительностью 40 мкс и
Роль пьезоэлемента в датчике выполняет пьезокерамика марки ЦТС
– 19 (цирконат- титанат свинца) с пьезомодулем (31=10-10 КлН [5].
Пьезоэлемент жестко соединен с резонатором который воспринимает 95%
энергии силы от пьезоэлемента ( 5% энергии теряется в границе раздела
сред). В силу механической деформации пьезоэлемента в резонаторе
возбуждаются ультразвуковые колебания частотой:
где n – номер гармоники ( n = 1 3 5 . . . )
l – толщина резонатора
c – скорость упругих волн в пластине резонатора.
В датчике Х1600 пьезоэлемент прижат к резонатору с помощью клея на
основе эпоксидной смолы который создавая границу раздела между средами
поглощает 5% энергии в силу своих физических свойств.
Резонатор передает в волновод продольную ультразвуковую волну энергия
которой характеризуется интенсивностью то есть среднему по времени потоку
энергии через единицу поверхности. Интенсивность определяется формулой:
где s – плотность материала волновода [pic]
c – скорость ультразвуковой волны в нем
[pic] – колебательная скорость.
Колебательная скорость рассчитывается по формуле:
где [pic] величина электрической реакции в вольтах
С0 – емкость пьезокерамики
a и b – геометрические размеры резонатора
[pic]- пьезоэлектрический модуль
М – масса резонатора
[pic]- круговая частота [pic] = 2[pic]f
где f – частота излучаемых резонатором колебаний.
Емкость пьезоэлемента определяется по формуле:
где [pic] - диэлекрическая проницаемость пьезокерамики
s – площадь соприкосновения с поверхностью резонатора
b – грань кубика пьезокерамики из ЦТС – 19.
В датчике Х1600 волновод изготовлен из низкоуглеродной стали марки
Ст.3 со скоростью распространения ультразвуковой волны с = 5050 мс.
Ультразвуковая волна пробегая по волноводу локально изменяет его
магнитную проницаемость [pic]=f(I). Эта зависимость находится
экспериментально так как зависит от характеристик конкретного волновода.
Изменение магнитной проницаемости в волноводе изменяет магнитную индукцию
где [pic] - магнитная постоянная [pic]= 4[pic]10-7 Гнм
Н – напряженность магнитного поля.
У волновода в виду его физических свойств имеется небольшое значение
напряженности Н0 за счет его остаточной намагниченности. Но оно различно
для разных волноводов и изменяется со временем. Поэтому необходимое
значение напряженности Н создается с помощью постоянного магнита.
При распространении ультразвуковой волны в измерительной обмотке
наводится ЭДС равная:
где W – число витков обмотки
Ф – поток пронизывающий витки этой обмотки.
Поток определяется по формуле:
где S – площадь поперечного сечения витков катушки.
Так как В = [pic]Н и S = [pic]R2 где R – радиус волновода то
получаем формулу для расчета ЭДС в обмотке:
Е = -WS[pic] = -WS[pic][pic]
В датчике Х1600 измерительная обмотка равномерно намотана по всей
длине волновода. Постоянный магнит находится в поплавке датчика который
перемещается в зависимости от изменения уровня жидкости резервуаре. Магнит
выполнен из высокостабильного материала. Форма выходного сигнала снимаемого
с обмотки изображена на рисунке 3.
Рис.3. Форма выходного сигнала снимаемого с обмотки датчика Х1600
Максимальная величина сигнала U0 = 1мВ при частоте колебаний f=50 кГц.
3.3. Конструктивные особенности датчика Х1600
Конструктивно датчик состоит из следующих блоков:
- измерительный элемент;
Измерительный элемент включает в себя:
Пьезорезонансный преобразователь предназначенный для возбуждения
ультразвуковой волны. Он состоит из пьезоэлемента и резонатора причем
пьезоэлемент выполнен в виде двух пластин из пьезокерамики ЦТС-19
приклеенных с двух сторон к резонатору.
Волновод который выполнен из низкоуглеродистой стали Ст.3 с ярко
выраженным магнитоупругим эффектом.
Измерительная обмотка намотанная медным проводом по всей длине
волновода. Обмотка своим нижним концом подпаивается к волноводу и
наматывается изолированным проводом с небольшим натягом который
обеспечивает плотное закрепление обмотки на звукопроводе не допуская
смещения витков обмотки при изгибах волновода. К верхнему концу волновода
подпаивается дополнительный выводной конец. Волновод при этом выполняет
роль электрического проводника .
Формирователь предназначен для формирования запускающего импульса
активизирующего пьезоэлемент а также для первого не отраженного от конца
волновода ответного импульса его усиления и передачи в линию связи.
Питание формирователя и передача им информационного сигнала осуществляется
через один и тот же коаксиальный кабель линии связи.
Корпус датчика выполнен из немагнитного материала. К нижнему концу
волновода прикрепляется груз для его натяжения. Груз обеспечивает
вертикальное рабочее положение волновода в резервуаре и предотвращает его
колебания внутри резервуара при заливке или сливе жидкости уровень которой
Поплавок может свободно перемещаться вдоль звукопровода и его
положение характеризует уровень жидкости в резервуаре. Для улучшения
условий скольжения поплавка вдоль звукопровода внутренняя стенка поплавка
выполнена из материала с малым коэффициентом трения скольжения например
В поплавке размещена система постоянных магнитов которая состоит из
двух кольцевых магнитов включенных встречно (рисунок 4). Один из служит для
подмагничивания (увеличения напряженности) волновода а другой для возврата
намагниченности в исходное состояние путем прикладывания магнитного поля
противоположной полярности.
Рис.4. Схема поплавка
[pic] [pic]Датчик обладает следующими достоинствами:
- чисто электрический тип уровнемера (то есть не зависит от других видов
энергии кроме электрической);
- отсутствие механических контактов в измерительной цепи;
- отсутствие подвижных и трущихся частей нуждающихся в смазке;
- возможность измерения уровня раздела фаз "нефтепродукт – вода";
- возможность применения в аппаратах с избыточным давлением до 16кГссм (до
0 кГссм по спецзаказу);
- возможность монтажа наладки и обследования (в том числе поверки) на
действующих резервуарах с избыточным давлением не более 02 кГссм без
вмешательства в технологический цикл;
- не нуждается в текущем обслуживании;
- безопасность для человека и окружающей среды;
- цифровой сигнал на выходе.
Система измерения и регистрации уровня жидкости в резервуаре
Существует большое количество различных устройств и систем для контроля
уровня жидкости в резервуарах как общего уровня так и уровня раздела фаз.
При этом современной тенденцией является создание систем обеспечивающих не
только требуемую точность измерения но и удобство использования
операторами и специалистами контрольно-измерительных приборов.
Как правило эти системы разрабатываются для стационарного
использования на установках подготовки нефти резервуарных парках и прочих
достаточно крупных НГДУ. Вместе с тем существует большое количество
объектов исчисляемое в отдельных НГДУ до нескольких десятков
представляющих собой отдельно стоящие резервуары не участвующие в
технологическом процессе а предназначенные для периодического отпуска и
периодического пополнения нефтепродуктов.
На таких объектах зачастую не имеется ни должным образом оборудованного
помещения в котором можно было установить дорогостоящую технику ни
высококачественного обеспечения электроснабжением для работы этой техники.
Кроме того и с экономической точки зрения не целесообразно держать на
таком объекте дорогие системы.
Тем не менее задачи измерения и контроля уровня в резервуарах является
Целесообразным решением в данной ситуации была бы установка в каждом
резервуаре стационарного уровнемера с возможностью подключения к нему
некоторой мобильной системы позволяющей оперативно и достоверно оценить
количество жидкости в резервуаре а также сохранять эти результаты для
дальнейшего анализа.
Такая система может быть построена на базе персонального компьютера с
возможностью автономного электропитания и модуля связи датчика уровня с
Структурная схема такой системы а также описание основных узлов
которые составляют эту систему представлены на рисунке 5.
Рис.5. Система измерения уровня
Схема запуска блок центрального процессора блок первичной обработки
сигнала и блок интерфейса с компьютером представляют собой модуль
Система также включает в себя схему запуска которая переводит модуль
контроллера в режим формирования импульсов сканирования датчика уровня.
Работа датчика основана на использовании магнитоупругого эффекта
который заключается в том что под действием упругой деформации вызванной
генерируемой в звукопроводе датчика акустической волной происходит
изменение магнитной проницаемости звукопровода.
Звукопровод выполнен из ферромагнитного материала и тем самым является еще
и магнитопроводом. По всей длине этого магнитопровода намотана обмотка и на
выходных концах этой обмотки формируется переменное напряжение.
Чувствительным элементом датчика является поплавок с размещенной внутри
Схема запуска состоит из типовой сертифицированной схемы
искробезопасного блока и транзисторного усилителя напряжения. Импульс
возбуждения датчика уровня проходит через схему усиления на транзисторах
поступает на искрозащитный блок запуска а оттуда на датчик.
Сигнал от датчика поступает на вход блока первичной обработки. Блок
включает в себя два каскада усиления выполненных на операционных усилителях
DA1 DA2 (К574УД1) компаратора DA3 (К554СА3) и управляемую схему задания
опорных уровней для компаратора выполненный на мультиплексоре DD1
(К555КП7). Мультиплексор управляется программно - аппаратно с блока
центрального процессора.
Блок центрального процессора состоит из однокристального
микроконтроллера КМ1816ВЕ51 ПЗУ выполненного на микросхемах DD3
DD4(КР580ИР82 К573РФ5). В ПЗУ хранится программа в соответствии с которой
Блок интерфейса с компьютером включает в себя буфер-формирователь
выполненный на логических элементах и обеспечивающий согласование выхода
модуля контроллера с линией связи в стандарте RS-232. Далее данные
передаются в персональный компьютер и обрабатываются где проводится их
дальнейшая обработка в соответствии с программой и архивирование.
1. Описание и расчет принципиальной схемы
1.1. Расчет усилительного каскада
Усилительный каскад выполнен на двух операционных усилителях К574УД1.
Схема включения приведена на рисунке 6.
Рис. 6 Схема включения усилительного каскада
Технические характеристики усилителя К574УД1:
Каскад выполнен по инвертирующей схеме. Потому что с точки зрения
точности получения определенного значения коэффициента преобразования его
стабильности а также обеспечения устойчивости удается получить в схемах в
которых входной сигнал подается на инвертирующий вход.
Коффициент усиления при таком включении рассчитывается по формуле:
где R1 – входное сопротивление усилителя
R2 – сопротивление обратной связи.
Входная частота равна 50кГц входное напряжение каскада составляет
Коэффициент усиления каскада рассчитывается по формуле:
где Uвх – входное напряжение каскада
Uвых – выходное напряжение каскада.
Коэффициент усиления каскада равен Ки=5В1мВ=5000.
Зададим для усилителя DA1 коэффициент усиления Ки равным 100.
Пусть сопротивление R1 будет равным 2 кОм тогда значение
сопротивления R2 составит
R2 = Ku R1=100(2000 =200 кОм.
Резистор R3 введен для того чтобы уменьшить дифференциальный
постоянный сигнал появляющийся на входе микросхемы при температурных
изменениях входных токов. Поэтому его значения следует выбирать из условия
равенства активных сопротивлений включенных в цепи входов микросхемы.
R3=R2((R1=R1(R2(R1+R2) = 4(108202000 =19 кОм.
Из ряда номинальных сопротивлений Е24 выбираем ближайшее к этому
значение сопротивления R3 = 2 кОм.
Резистор R4 является подстроечным. В схеме он применяется для
согласования коэффициентов усиления между каскадом. Значение его берется
У усилителя DA2 коэффициент усиления Ки будет равен 50.
Входное сопротивление для него складываться из сопротивления R4
емкостной составляющей входного сопротивления а также сопротивления R5.
Значение емкости конденсатора С7 составляет 50 нФ тогда емкостная
составляющая входного сопротивления на частоте 50 кГц составит:
Хс= 1j[pic]С =1(50000(50(10-9) = 400 Ом.
Исходя из данных входное сопротивление Rвх усилителя DA2 будет равным
Rвх= 5000 + 400 + 2000 =74 кОм
Из ряда Е24 выбираем ближайшее значение равное 7500 Ом.
Значение сопротивления R26 будет равным
R6 = RвхКи =7500(50 =375 кОм
Из ряда выбираем R6 = 390 кОм.
Резистор R7 вычисляется как:
R7=R6((Rвх=R6(Rвх(R6+Rвх) =2925(106397500 =73 кОм
Из ряда Е24 выбираем R7=7500 Ом.
Балансировочные сопротивления R8 и R9 необходимы для коррекции
напряжения смещения нуля. Исходя из справочных данных их значение берется
При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды
искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного
входного сигнала содержащего ряд гармоник эти гармоники усиливаются
усилителем неодинаково так как реактивные сопротивления схемы по-разному
зависят от частоты и в результате это приводит к искажению формы
усиленного сигнала. Такие искажении называются частотными и характеризуются
коэффициентом частотных искажений:
где К(0) – значение коэффициента усиления на нулевой частоте
К([pic]) – значение коэффициента усиления на заданной частоте.
Коэффициент усиления определяется по формуле:
[pic] K(j[pic]) =[pic]
Коэффициент частотных искажений всего каскада будет равен коэффициенту
частотных искажений первого усилителя на коэффициент частотных искажений
Для первого усилителя:
Коэффициент усиления на заданной частоте определяется по ЛАЧХ ОУ
представленной на рисунке 7.
102 103 104 105 106 f Гц
Рис.7. Зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты
Для второго усилителя:
Мкаск =М1М2 =101(1007 =101707.
Следует отметить что данные расчета усилительных каскадов
справедливы для каждого из девяти заданных каналов.
В схеме используется компаратор К554СА3.
Компаратор К554СА3 является универсальным. Он может работать от любых
источников питания включая однополярные +5 В или –30 В. Компаратор имеет
два выхода: открытый коллектор (вывод 9) и эммитерный (вывод 2). Из-за этих
особенностей он пригоден для обслуживания любых цифровых микросхем
умеренного быстродействия.
Параметры компаратора К554СА3:
В шеститиканальной системе измерения уровня таких компараторов
На рисунке 8 показано условное графическое обозначение компаратора
Рис.8. Компаратор К554СА3
Резистор R10 = 10 кОм.
1.3. Блок канала опорных напряжений
Этот блок состоит из мультиплексора К155КП1 и цепи резисторов
(рисунок 9). Мультиплексор необходим для задания опорных уровней для
Рис.9. Мультиплексор
Данная микросхема представляет собой 16-входовый цифровой
мультиплексор. Он позволяет с помощью четырёх адресных входов A-F передать
данные поступающие на один из входов D0-D15 к выходу Y.
Блок памяти состоит из микросхемы КР580ИР82 которая представляет собой
восьмиразрядный буферный регистр предназначенный для ввода и вывода
информации со стробированием а также из микросхемы памяти К573РФ5.
Схема включения приведена на рисунке 10. В ПЗУ записана программа в
соответствии с которой работает модуль контроллера.
Рис. 10 Схема включения памяти
1.5. Блок интерфейса с компьютером
Блок интерфейса с компьютером представляет собой буфер – формирователь
выполненный на четырех логических элементах НЕ (DD5.1 DD5.2) и
обеспечивает согласование выхода модуля контроллера с линией связи в
стандарте RS – 232. Схема включения приведена на рисунке 11.
Рис.11. Схема включения блока интерфейса с компьютером
1.6. Микроконтроллер КР1816ВЕ51
Использование микроконтроллера КР1830ВЕ51 связано с тем что он
достаточно недорогой по цене доступен в понимании легко программируется и
у него малое энергопотребление.
Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой К-МОП технологии и
выпускается в корпусе БИС имеющем 40 внешних выводов; для работы требуется
источник питания +5В. Через четыре программируемых порта ввода вывода
микросхема КР1816ВЕ51 взаимодействует со средой. Корпус микроконтроллера
имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора четыре вывода для
сигналов управляющих режимом работы МК четыре порта ввода или вывода
информации (порт 0 порт 1 порт 2 порт 3) где восемь линий порта 3 могут
быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных
функций обмена информацией со средой.
Кварцевый резонатор BQ1 подключен к входам Х1 и Х2 МК. Его частота 12
МГц. Схема включения контроллера приведена на рисунке 12.
Рис.12. Микроконтроллер КМ1816ВЕ51
Номиналы R11 R12 R13 берутся порядка1 кОм.
1.7. Таймер – счетчик
В составе средств МК51 имеются регистровые пары с символическими
именами TH0 TL0 и TH1 TL1 на основе которых функционируют два
независимых программно-управляемых 16-битных таймера-счетчика событий. Два
программируемых 16-битных таймера – счетчика (ТС0 и ТС1) могут быть
использованы в качестве таймеров или счетчиков внешних событий. При работе
в качестве таймера одержимое ТС инкрементируется в каждом машинном цикле
то есть через каждые 12 периодов резонатора. При работе в качестве счетчика
содержимое ТС инкрементируется под воздействием перехода из 1 в 0 внешнего
входного сигнала подаваемого на соответствующий (Т0 Т1) вывод МК51. У
таймера – счетчика существуют четыре режима работы: режим 0 режим 1 режим
режим 3. Режимы работы 0 1 и 2 для обоих ТС одинаковы. Режимы 3 для
ТС0 и ТС1 различны. Рассмотрим кратко работу ТС во всех четырех
Режим 0. В этом режиме таймерный регистр имеет разрядность 13 бит. При
переходе из состояния «все единицы» в состояние «все нули» устанавливается
флаг прерывания от таймера TF1. Входной синхросигнал таймера 1 разрешен (
поступает на вход ТС ) когда управляющий бит TR1 установлен в 1 и либо
управляющий бит GATE (блокировка) равен 0 либо на внешний вывод запроса
прерывания INT1 поступает уровень 1.
Режим 1. Работа любого ТС в режиме 1 такая же как и в режиме 0 за
исключением того что таймерный регистр имеет разрядность 16 бит.
Режим 2. В режиме 2 работа организована таким образом что переполнение
(переход из состояния «все единицы» в состояние «все нули») 8-битного
счетчика TL1 приводит не только к установке флага TF1 но и автоматически
перезагружает в TL1 содержимое старшего байта (TH1) таймерного регистра
которое предварительно было задано. Перезагрузка оставляет содержимое TH1
неизменным. В режиме 2 ТС0 и ТС1 работают совершенно одинаково.
Режим 3. В режиме 3 ТС0 и ТС1 работают по-разному. ТС1 сохраняет
неизменным свое текущее содержимое. В режиме 3 TL0 и TH0 функционируют как
два независимых 8-битных счетчика. Работу TL0 определяют управляющие биты
ТС0 входной сигнал INT0 и флаг переполнения TF0. работу ТН0 который
может выполнять только функции таймера (подсчет машинных циклов МК)
определяет управляющий бит TR1. при этом ТН0 использует фаг переполнения
1.8. Последовательный интерфейс
Через универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП) осуществляется
прием и передача информации представленной последовательным кодом
(младшими битами вперед). В состав УАПП называемого последовательным
портом входят принимающий и передающий сдвигающие регистры а также
специальный буферный регистр (SBUF) приемопередатчика.
Последовательный порт МК51 может работать в четырех различных режимах.
Режим 0. В этом режиме информация и передается и принимается через
внешний вывод входа приемника (RxD). Принимаются или передаются 8 бит
данных. Через внешний вывод выхода передатчика (TxD) выдаются импульсы
сдвига которые сопровождают каждый бит. Частота передачи бита информации
равна 112 частоты резонатора.
Режим 1. В этом режиме передаются через TxD или принимаются из RxD 10
бит информации: старт-бит (0) 8 бит данных и стоп-бит(1). Скорость
приемапередачи задается таймером.
Режим 2. В этом режиме через TxD передаются или из RxD принимаются 11
бит информации: старт-бит 8 бит данных программируемый девятый бит и стоп
бит. При передаче девятый бит данных может принимать значение 0 или 1.
частота приемапередачи выбирается программой и может быть равна либо 132
либо 164 частоты резонатора в зависимости от управляющего бита SMOD.
Режим 3. Режим 3 совпадает с режимом 2 во всех деталях за исключением
частоты приемапередачи которая задается таймером.
К входу INT0 КР1830ВЕ51 подключена клавиша «Запуск».
Значения сопротивлений R19 и R20 выбираются из следующего соотношения:
Зададим R20 =1 кОм тогда R19 =10(1 кОм =10 кОм.
1.9. Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения необходим задания напряжения питания для
микросхем. Сигналом для этого блока является выход аккумулятора.
Стабилизатор строится на микросхеме 142ЕН6. Микросхема 142ЕН6
представляет собой двуполярный стабилизатор с фиксированным выходным
напряжением (15В и возможностью его регулировки. Прибор имеет два вывода
для частотной коррекции каналов положительного и отрицательного напряжения.
Схема включения приведена на рисунке 13.
Рис.13. Стабилизатор напряжения
Основные характеристики:
максимальная мощность рассеивания Р = 2 Вт;
возможность регулировки выходного напряжения (5В (20 В;
диапазон рабочих температур –10 +70(С.
Напряжение стабилизации стабилитрона VD8 составляет 56 В ток
стабилизации находится в пределах от 3 мА 55 мА. Примем ток стабилизации
Напряжение поступающее от батареи составляет 18 В. Тогда падение
напряжение на R10 будет равно UR10= 18В-5.6В =124 В.
R10 = UR10Iст=124В10 мА =124 кОм =12 кОм.
Напряжение база – эмиттер транзистора VT4 составляет 06 В тогда
выходное напряжение Uвых=56 В – 06 В = 5 В.
Конденсатор С13 необходим для сглаживания пульсаций на выходе.
Интерфейс RS-232 предназначен для передачи данных в компьютер для
дальнейшей обработки.
Если устройство построенное на базе МК51 должно иметь выход на
последовательный интерфейс RS-232 то должно быть выполнено:
- согласование уровней сигналов RS-232 и МК51 (ТТЛ);
- поддержание стандартной скорости приема – передачи;
- поддержание стандартных форматов посылки;
- поддержание стандартных протоколов обмена.
Согласование осуществляется с помощью буферных схем.
Поддержание стандартного ряда скоростей (19200 9600 4800 2400 1200
0 300 битс) является более сложной задачей так как скорость приема –
передачи УАПП зависит от тактовой частоты МК51.
В силу того что считывание значения бита УАПП производит в центре
битового интервала максимальный временной сдвиг приема бита равен половине
битового интервала (05 Т бита). Для того чтобы все биты информационной
посылки были восприняты правильно расхождение скорости приема – передачи
не должно превышать величины 05L где L – общая длина посылки включая
биты данных бит паритета стартовый и стоповый биты.
Для сопряжения с интерфейсом RS – 232 УАПП может работать в режимах 2
(8 бит) или 3 (9 бит).
3. Расчет мощности потребляемой устройством
Мощность потребляемая электронным блоком системы определяется как
сумма токов потребления микросхем по цепям питания и по входам
подключенным к шине питания умноженная на напряжение питания.
Токи потребления для микросхем по цепи питания +10В -10В +5В
приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Токи потребления микросхем
Микросхема Количество микросхем Ток потребления мА
Для микросхемы 142ЕН6 напряжение питания равно 27 В.
Потребляемая мощность равна:
Р =10((144 + 54) + 5(( 68 + 150 + 160 + 100 + 12) + 27(75 =
Метрологическая часть
1. Методическая погрешность определения уровня
Она возникает из-за погрешности дискретизации отсчетов состояний
Таймер изменяет свое состояние один раз в одну микросекунду. Таким
образом при считывании показания таймера автоматически возможна
погрешность до величины [pic]L.
Скорость распространения ультразвуковой волны v=5050 мс (t =1мкс.
[pic]L = v(t =5050мc·10-6с = 000505м =505мм.
Из расчетов видно что полученное значение погрешности удовлетворяет
условию указанному в техническом задании (5 см).
Относительная погрешность измерения уровня:
Ультразвуковой датчик Х1600 как показывают расчеты имеет очень
хорошие метрологические характеристики что в свою очередь является
большим плюсом в обосновании его выбора для системы измерения уровня.
2. Погрешность усилителей
Так как параметры усилителей изменяют свои значения главным образом
при изменении температуры окружающей среды то определяется погрешность
преобразования обусловленная изменением температуры (Т в диапазоне от
Отклонение от номинального значения определяется по формуле:
где ( - температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
(Т – диапазон изменения температуры;
R – номинальное значение сопротивления.
(R1 = 55(10-6(60(2000 = 66 Ом;
(R2 = 75(10-6(60(200(103 = 900 Ом.
Относительная погрешность определяется по формуле:
Относительная мультипликативная погрешность инвертирующего усилителя
DA1 вызванная неточностью резисторов R1 и R2 равна разности относительных
погрешностей этих резисторов:
( и[(R1 (R2] = [(R2 - (R1]
(и[(R1 (R2] = [045% - 033%] = 012%.
Также наибольшее изменение напряжения смещения есм и входных токов
операционного усилителя вызываются изменением температуры окружающей среды.
Поэтому после регулировки аддитивную погрешность усилителя можно
приближенно описать соотношением:
где (t – температура окружающей среды;
Uвхном- номинальное входное напряжение.
Для усилителя К574УД1: Ткесм= 018 мкВ(С; ТК(I =130 нА(С.
Основная погрешность усилителя DA1 ( = 012+026 = 038%.
Проведем аналогичные расчеты для усилителя DA2.
(R5 = 55(10-6(60(7500 =2475 Ом;
(R6 =75(10-6(60(390000 = 1755 Ом.
Найдем относительную погрешность:
(и[(R5 (R6] = [045 – 033] = 012%.
Аддитивную погрешность усилителя найдем по формуле:
Основная погрешность усилителя DA2 составит ( = 059 + 012= 071.
Суммарная погрешность усилителя составляет (Σ = 038% + 071% =109%.
3. Погрешность компаратора
Эта погрешность нечувствительности компаратора. Она определяется как:
Напряжение нечувствительности Uнечув – это минимальное напряжение на
входе компаратора при котором он может сработать. Входное напряжение для
компаратора равно 03 В.
Целью данного проекта была разработка девятиканальной системы измерения
уровня жидкости в резервуарах.
В ходе работы были решены следующие задачи:
- проведен краткий обзор существующих средств измерения уровня;
- разработана принципиальная схема системы;
- рассчитаны аналоговые узлы схемы;
- рассчитана потребляемая мощность системы;
- проведен расчет погрешностей (погрешность системы измерения уровня
удовлетворяет требованиям технического задания);
- проведен краткий обзор противопожарной безопасности системы;
- проведен грубый прикидочный расчет стоимости прибора и сделаны
выводы о перспективности разработки;
) Голямина И.П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. – М.: «Советская
энциклопедия»1979-400с.
) Красильников В.А. Ультразвуковые волны в воздухе воде и твердых телах.
- М.: Техническая литература 1954 -440с.
) Сагалович Б.М. Слуховое восприятие ультразвука.- М. : Наука 1988-560с.
) Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под общей
редакцией Ермолова И.Н.-М. : Машиностроение1986-280с.
) Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. Под редакцией
Л.Бергмана. –М : Иностранная литература 1957-726с.
) Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. –М. : Высшая школа 1991-622с.
) Полупроводниковые приборы : Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией
Н.Н.Горюнова.- М. : Энергоатомиздат 1986.-904с.
) Цифровые интегральные микросхемы : СправочникМ.И.Богданович И.Н.Грель
и др.- Мн. : Беларусь Полымя 1996-605с.
) Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM
PC. Под общей редакцией Ю.В.Новикова. Практ. Пособие – М. : ЭКОМ. 1997-
) Интегральная электроника в измерительных устройствахВ.С.Гутников.-
Л.:Энергоатомиздат 1988 -304с.
) Система станадартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие
требования. ГОСТ 121004-91.
) Интегральные схемы: операционные усилители. Том 1. – М.: Физматлит
) Аналоговая и цифровая электроника. Ю.Ф. Опадчий. Горячая Линия –
Телеком М. 2002 768 с.
Приложение 1. ОУ К574УД1
Рис.14. Цоколёвка корпуса
Приложение 2. Компаратор К554СА3
Рис.15. Условное графическое изображение
Рис.16. Цоколёвка корпуса
Электрические параметры.
Приложение 3. Мультиплексор К155КП1
Микросхема представляет собой селектор-мультиплексор данных на 16
каналов со стробированием. Позволяет с помощью четырех адресных входов A-F
передать данный поступающие на один из входов D0-D15 к выходу Y. Если на
вход разрешения С подано напряжение высокого уровня то на выходе Y также
появится высокий уровень независимо от адреса остальных входов. Напряжение
низкого уровня на входе Е разрешает прохождение данных от входов D0-D15.
Корпус К155КП1 типа 239.24-1 масса не более 4 г.
Рис.17. Цоколёвка корпуса
Приложение 4. Буферный регистр КР580ИР82
Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный адресный регистр предназначенный
для связи микропроцессора с системной шиной; обладает' повышенной
нагрузочной способностью. Микросхема КР580ИР82 8-разрядный 0-регистр-
«защелка» без инверсии и с тремя состояниями на выходе. Каждая микросхема
состоит из восьми одинаковых функциональных блоков и схемы управления. Блок
содержит D-регистр защелку и мощный выходной вентиль без инверсии или с
инверсией. При помощи схемы управления производиться стробирование
записываемой информации и управление третьим состоянием мощных выходных
В зависимости от состояния стробирующего сигнала микросхемы могут
работать в двух режимах: в режиме шинного формирователя и в режиме
Приложение 5. Микросхема памяти К573РФ5
Рис.18. Условное графическое обозначение
Рис.19. Цоколёвка корпуса
Приложение 6. Микроконтроллер КР1816ВЕ51
Кварцевый резонатор BQ1 подключен к входам Х1 и Х2 МК. Его частота 12 МГц.
Рис.20. Цоколёвка корпуса и наименование выводов
Приложение 7. Трансформатор
Трансформатор типа ТПП201 ШЛ 12×16
Рис.21. Трансформатор ТПП201 ШЛ
Напряжения на вторичных обмотках трансформаторов ТПП201 на 127220 В
между выводами 11 и 12 17 и 18 — 20В;
между выводами 13 и 14 19 и 20 — 15В;
между выводами 15 и 16 21 и 22 — 15 В.
Номинальный ток во вторичных обмотках равен 029 A.
Диодная сборка КД208А.
Табл.7. Параметры диодной[pic] сборки
Рис.22. Цоколёвка корпуса одного диода
Приложение 8. Стабилизатор
Компенсационные стабилизаторы напряжения с фиксированным выходным
Рис.23. Условное изображение стабилизатора
Рис.24. Цоколевка корпуса
Электрические параметры
Номинальное выходное напряжение Uвых.ном=-10В +5В +10В.
Минимальное падение напряжения на стабилизаторе Uпд=25 В
Ток потер Iпот 10 мА
Коэффициент нестабильности по напряжению КнU=005 %В
Коэффициент нестабильности по току КнI=1 %
Коэффициент сглаживания сигналов Ксг=30 дБ
Приложение 9. Плавкий предохранитель
Предохранители ПР-2 на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную
конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4
колпачком 5 который является выходным контактом. Плавкая вставка 1
штампуется из цинка являющегося легкоплавким и стойким к коррозии
материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную
времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи
более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с
Вставка предохранителя ПР-2 располагается в герметичном трубчатом
патроне который состоит из фибрового цилиндра 3 латунной обоймы 4 и
латунного колпачка 5.
Рис.25. Плавкий предохранитель КР-2
Система измерения уровня
модуль контроллера датчика уровня
персональный компьютер
блок интерфейса с компьютером
блок первичной обработки сигнала

Печатка.cdw

1. *Размер для справок.
Плату изготовить комбинированным методом.
Цена деления координатной линейки - 2.5 мм.
Допускается в узких местах заужение
контактных площадок до 015 мм.
Проводники покрыть сплавом "Розе".
Плата должна соответствовать
Схема измерения уровня
стеклотекстолит ГОСТ 12652-74

блок усилителей.CDW

Схема структурная .cdw

ОУ-Операционный Усилитель
БФ-Буфер-формирователь
ПЗУ-Постоянное запоминающее
Система измерения уровня