Ультрозвуковой измеритель уровня жидкости

Министерство  образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

БелорусскиЙ государственный  университет

информатики и радиоэлектроники

 

Факультет телекоммуникаций

 

Кафедра метрологии и стандартизации

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту

на тему

 

Ультрозвуковой  измеритель уровня жидкости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила                                                                               Проверил

студентка гр.162101                                                                Гурский А.Л.

Суглоба А.В.

 

 

 

 

 

 

Минск, 2013

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………………….3

1. Литературный обзор по теме курсового проекта………………………………….5
2. Разработка структурной схемы……………………………………………………..8
3. Анализ схемы электрической принципиальной………………………………….10
4. Выбор элементной базы……………………………………………………………14
5. Алгоритм работы прибора…………………………………………………………19
6. Метрологические характеристики устройства……………………………….......20

Заключение……………………………………………………………………………...23

Литература………………………………………………………………………………24

Приложение А Структурная схема

Приложение Б Принципиальная электрическая схема

Приложение В Перечень элементов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Задачи, требующие измерения уровня жидких продуктов, исключительно многообразны и встречаются в различных областях техники. Измерение уровня требуется в большинстве производственных процессов; в системах экологического мониторинга и безопасности; для учета массы, расхода жидких продуктов при их хранении и транспортировке. Актуальность измерения уровня жидкостей возрастает по мере повышения степени автоматизации производственных процессов, систем контроля и учета.

Существуют  общие требования к методу измерения и оборудованию, которые необходимо выполнять при решении большинства практических задач, и специальные, предъявляемые к отдельным группам применений. Основными из общих требований являются:

- большой срок службы измерителя уровня (не менее 5–15 лет) при минимальном количестве регламентных работ;

- высокая надежность в реальных условиях эксплуатации;

- стабильная работа и плавное снижение точности при увеличении силы воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, плотности жидкости, волнения поверхности, наклона резервуара и т.д.);

- обеспечение требуемой точности измерения уровня при работе с реальными жидкостями;

-минимальная стоимость;

- удобство эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

 Специальных  требований существует большое  количество в каждой области  применения измерителей уровня, но наиболее значимыми из них  являются:

- работа в условиях вибраций и наклона резервуара;

- работа в движущихся, сильно загрязненных жидкостях;

- работа от автономных источников питания с возможностью передачи информации по беспроводным сетям;

- измерение уровня с малой погрешностью, работа при наличии пыли, конденсата, пены.

Целью курсового проекта является исследование ультразвукового измерителя уровня жидкости.

При выполнении курсового проекта необходимо решить следующие задачи:

• Разработка функциональной и принципиальной электрических схем,
• Моделирование и расчет электрической схемы с помощью ЭВМ,
• Определение метрологических характеристик устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Литературный обзор по теме  курсового проекта

 

 

Измерители  уровня жидкости применяются для  измерения непрерывного уровня (текущего) и предельного уровня (максимального  или минимального) жидких, вязких, и  сыпучих веществ.

Существую следующие  разновидности измерителей уровня жидкости:

- поплавковые;

- вибрационные;

- емкостные;

- радарные;

- магнитострикционные;

- ультразвуковые;

- гидростатического  уровня;

- кондуктометрические;

- лазерные.

Рассмотрим  поплавковые датчики.

Поплавковые датчики уровня – одни из самых  недорогих и, вместе с тем, надежных устройств для измерения уровня жидкостей. Поплавковые датчики  уровня могут использоваться для  контроля уровня самых разных продуктов, например сточных вод, химически  агрессивных жидкостей или пищевых  продуктов. Поплавковые датчики  уровня устойчивы к пене и пузырькам  в жидкости и могут работать с  вязкими жидкостями.

Датчики уровня применяются для измерения  как текущего, так и предельного (максимального или минимального) уровня жидкости.

Поплавковые датчики используются для контроля уровня жидкости в транспортных средствах. Прежде всего, это задачи по контролю объема топлива в тяжелой технике: грузовиках, экскаваторах, тепловозах. Здесь датчики уровня работают в  условиях сильной вибрации и волнения на поверхности жидкости. Для устранения влияния этих факторов поплавковый  датчик помещают в специальную демпферную трубу, диаметром чуть больше, чем  диаметр поплавка.

Конструкция датчиков очень проста. Датчик имеет  поплавок, передвигающийся по вертикальному  штоку. Внутри поплавка находится постоянный магнит, а в штоке, представляющем собой полую трубку, находится  геркон. Герконовый контакт срабатывает  при приближении магнита.

Если  установка датчика сверху емкости  невозможна, то поплавковый датчик уровня можно вмонтировать в стенку емкости. В этом случае поплавок с  магнитом крепится на шарнире, а герконовый выключатель в корпусе датчика. Такие датчики срабатывают, когда  жидкость достигает поплавка и предназначены  для сигнализации предельного уровня.

Поплавковые датчики уровня жидкости имеют следующие  технические характеристики:

- диапазон  рабочих температур, ºС……………………...…...…..0…+105;

- ток  коммутации в цепи, А………………………………………2;

- напряжение, В…………………………………………………...250;

- дифференциал  срабатывания (не более), мм…………………..25;

- материал………………………………………………………….нержавеющая  сталь.

Датчик  уровня поплавкового типа не подходят для измерения липких и засыхающих жидкостей, жидкостей с механическими  включениями, а также в случае замерзания жидкости.

Рассмотрим  оптические датчики уровня жидкости.

Оптические  датчики обеспечивают определение  наличия или отсутствия жидкости и выдают цифровой сигнал при превышении ее уровня.

Одним из преимуществ оптических датчиков является использование инфракрасного диапазона, который не чувствителен к прозрачности жидкости и ее однородности. Требованием  к измеряемой среде является то, что она должна обеспечивать смачиваемость  сферической поверхности датчика.

Конструкция датчика включает корпус (пластиковый  или металлический) и полусферу, в которой находятся инфракрасный светодиод и фототранзистор с  триггером (рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 – Конструкция оптического  датчика

Датчики монтируются на стенке резервуара на необходимом уровне контроля жидкости. При размещении нескольких датчиков на различной высоте можно контролировать сразу несколько уровней заполненности  резервуара.

Рассмотрим  технические параметры датчика  с пластмассовым корпусом:

- материал  корпуса…………………………………………………полисульфон;

- напряжение  питания, В…………………………………………..5…12;

- потребляемый  ток, мА…………………………………………...15;

- время отклика  при подъеме воды, мкс………………………….50;

- время отклика  при спаде воды, с………………………………..1;

- диапазон  рабочих температур,°C………………………………-25…80;

- диапазон  температуры хранения,°C…………………………....-30…85.

Рассмотрим  исследуемый в курсовом проекте  ультразвуковой измеритель уровня жидкости.

К достоинствам рассматриваемого устройства можно  отнести малые размеры и потребляемую мощность, возможность измерения  уровня агрессивных жидкостей. В  зависимости от установленного режима работы на индикатор выводится расстояние от поверхности жидкости до закреплённого  над ней датчика или от поверхности  до дна резервуара. Цифровая индикация  с высоким темпом обновления даёт возможность судить о динамике изменения  уровня.

Установленные пороги включения и выключения насосов, открывания и закрывания кранов или  заслонок не изменяются при выключении и последующем включении прибора. Однако при необходимости они  могут быть оперативно изменены в  процессе его работы. Всё это позволяет  использовать прибор в системах автоматического  управления технологическими процессами.

Недостатком измерителя является то, что на поверхности  жидкости не должны плавать большие  посторонние предметы, изменяющие характер отражения ультразвуковой волны. Например, очень плохо отражает ультразвук пористая поверхность, уровень отражённого  от неё сигнала может стать  недостаточным для работы прибора.

Основные  технические характеристики

- диапазон  срабатывания, м………………………………………………….0.3…6;

- потребляемый  ток (не более), мА…………………………………………100;

- напряжение  питания постоянного тока, В………………………………..14…26;

- диапазон  рабочих температур окружающей  среды, ºС………………….-20…+60;

- материал  корпуса датчика…………………………………………………полиэтилен.

Таким образом  устройство, исследуемое в курсовом проекте достаточно практично, доступно в использовании. В отличии от подобных измерителей, предполагает более  современную систему отслеживания уровня воды в резервуаре.

2 Разработка структурной схемы

 

 

Структурная схема  состоит из таких основных блоков: микроконтроллер (далее МК), входной преобразователь (далее  ВП), клавиатура, блок индикации, датчик, блок связи с персональным компьютером (далее БСПК). Микроконтроллер предназначен для управления процессом снятия данных с датчика, их обработки, а  так же для управления всеми процессами обмена информации и выдачей информации на дисплей.

Аналоговый  сигнал с датчика поступает на входной преобразователь, который  преобразует сигнал с датчика  в сигнал с уровнем, который воспринимается АЦП микроконтроллера, таким образом, ВП производит согласование уровней  напряжений. Преобразованный сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера, в котором осуществляется преобразование аналогового информационного сигнала  с датчика в цифровой код, который  обрабатывается МК. Прочитанные коды после преобразования в микроконтроллере будут записаны в память данных. Затем микроконтроллер опрашивает код клавиатуры, то есть проверяет  наличие нажатия клавиши, выводит  на дисплей значение текущего значения уровня, если была нажата какая либо из клавиш, то он переходит к обслуживанию нажатой клавиши, и после этого  выводит затребованную информацию. Блок связи с персональным компьютером  предназначен для подключения к  устройству ПК через один из стандартных  интерфейсов. Таким образом, имеется  возможность при помощи персонального  компьютера при наличии соответствующего программного обеспечения контролировать процесс работы устройства, а также  дублировать индикацию уровня заполнения резервуара на экране ПК. Это значительно  расширяет возможности автоматизации  процесса контролирования уровня.

Датчик необходимо использовать ультразвуковой, разработанный  специально для использования в  приборах измерения уровня наполнения резервуаров, имеющий соответствующее  конструктивное и электрическое  исполнение. Напряжение питания датчика  стандартное - 10ч30 В постоянного  напряжения, выходной сигнал - аналоговый, зависимость уровня выходного напряжения от измеряемого расстояния - линейная. Зона чувствительности - до 500 см.

Входной преобразователь  должен обеспечивать согласование уровней  выходного напряжения датчика и  входного напряжения МК.

При включении  питания уровнемера на его ЖКИ  на 1 с появляется надпись "Start", затем она исчезает и начинается измерение уровня жидкости. Его результат  в сантиметрах занимает на ЖКИ  знакоместа с седьмого по девятое  слева и обновляется два раза в секунду. Для перехода в режим установки параметров необходимо нажать на кнопку SB1 и удерживать её в течение примерно 8 с. На ЖКИ должна появиться на 1 с надпись "---". Таким образом, исходя из поставленной задачи, необходимо использовать индикатор, состоящий из трех светодиодных семисегментных индикаторов. Индикация - динамическая.