Проектирование измерительного канала расхода воды

Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

1. Анализ технического задания

2. Выбор математической модели измерительного канала расхода

3. Выбор и расчет структурной схемы

4. Метрологические характеристики структурных элементов, их функциональное назначение

4.1 Сужающее устройство

4.2 Дифференциальный манометр

4.3 Блок извлечения корня

4.4 Блок распределения унифицированного токового сигнала БГРТ

4.5 Комплекс связи с объектом типа М-64

4.6 Рабочее место оператора технолога - программно-технический комплекс

5. Моделирование измерительного канала расхода в среде LabView

Заключение

Список используемой литературы

Обозначения и сокращения

АСИ - агрегатное средство измерения

ИИС - информационно-измерительная система

ИК - измерительный канал

КР - контрольная работа

КСО - комплект связи с объектом

МА - метрологическая аттестация

МО - метрологическое обеспечение

МХ - метрологические характеристики

НП - нормирующий преобразователь

ПИП - первичный измерительный преобразователь

РМОТ - рабочее место оператора технолога

РТ - распределитель токового сигнала

СИТ - средство измерительной техники

СОИ - средство отображения информации

СУ - сужающее устройство

ТЗ - техническое задание

Введение

В значительной степени метрологические характеристики ИИС определяются параметрами измерительных каналов - состав измеряемых параметров, динамический диапазон измерения, погрешность измерения, инерционность измерительной аппаратуры.

Измерительный канал - это измерительная цепь, образованная последовательным соединением средств измерений и других технических устройств, предназначенная для измерения одной физической величины и имеющая нормированные метрологические характеристики.

Измеряемая величина или параметр характеризует свойство объекта или технологический процесс. Современное производство, промышленность, энергетика функционируют в условиях автоматизации всех производственных и технологических процессов. Для обеспечения автоматизации и работы автоматики непрерывно проводятся измерения сотен и тысяч параметров, имеющих самую разнообразную физическую природу.

Непосредственную связь с объектом измерений выполняет первичный измерительный преобразователь, который значение физической величины переводят в сигнал измерительной информации - электрический сигнал который может характеризоваться различными информативными параметрами: напряжением, током, частотой, фазой переменного тока и т.д.

На электрической станции измерительная информация с измерительных каналов, помимо отображения ее с помощью различных показывающих приборов, используется:

для работы защитной и противоаварийной автоматики;

для формирования управляющих воздействий в автоматических системах;

для переработки и хранения информации.

измерительный канал расход вода

В соответствии с этими функциями измерений и назначением измерительной информации, получаемой с помощью ИК, строится сама система (структура) измерительного канала.

В данной контрольной работе стоит первичная задача разработать измерительный канал и его метрологическое обеспечение. Разработать функциональную и структурную схему ИК, определить условия эксплуатации ИК опираясь на МХ элементов входящих в его состав, а также разработать имитационную модель измерительного канала с применением среды Labview.

Данная работа актуальна на сегодняшний день и является одной из главных задач для функционирования и развития энергетики и промышленности. Требует постоянного усовершенствования и разработку новых схем, а также структурных элементов, с целью повышения таких параметров как точность и надёжность.

1. Анализ технического задания

Расход вещества - это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени.

Расход является одним из основных рабочих параметров, точность и надежность измерения которого определяет ценность результатов экспериментальных исследований в гидро-газодинамике; качество технологических процессов в химической, пищевой и бумажной промышленности; оптимальные режимы работы объектов в ракетной технике и авиации, энергетике и транспорте; эффективность систем добычи и переработки нефти и нефтепродуктов. Поэтому в настоящее время актуальной становится задача разработки измерительных каналов расхода.

Современная измерительная практика предъявляет все более высокие требования к точности, надежности, быстродействию, функциональности измерительных каналов. В большинстве случаев эти требования противоречивы, то есть улучшение одних характеристик, как правило, достигается за счет недореализации возможностей улучшения других. Так, увеличение функциональных возможностей приборов за счет усложнения снижает их надежность вследствие возрастания числа подверженных отказам элементов. Увеличение быстродействия снижает эффективность систем автоматической компенсации медленно меняющихся погрешностей, вызванных влиянием внешней среды, параметров измеряемых объектов и т.п. Поэтому развитие измерительной техники сопровождается постоянным поиском разумного компромисса между реализуемыми свойствами приборов, техническими возможностями и экономической целесообразностью.

2. Выбор математической модели измерительного канала расхода

Расход жидкости Q подлежит измерению как непрерывно контролируемая величина. Метод измерения базируется на образовании перепада давления при прохождении среды через сужающее устройство СУ.

Перепад давления в первичном измерительном преобразователе преобразуется в токовый сигнал. Для согласования выходного сигнала с ПИП с последующими элементами выходной сигнал должен быть преобразован в форму, удобную для дальнейшей передачи и преобразования. Следовательно, к выходу ПИП подключают нормирующий преобразователь. Выходным сигналом с НП является унифицированный токовый сигнал.

Так как одна и та же измерительная информация может быть использована для различных целей одной из задач является "размножение" сигнала. Далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код с помощью АЦП и в дальнейшем может быть подвергнут математической обработке, использован в расчетах на ЭВМ, отправлен на хранение.

То есть цепочка преобразования сигналов от измеряемого параметра до отображения его на отсчетном устройстве имеет следующий вид:

где Q - расход жидкости, м³/ч;

 - перепад давления, кПа;

 - токовый сигнал на выходе ПИП, мА;

I - линеаризованный унифицированный токовый сигнал;

Iв - токовый сигнал на выходе с БГРТ;

Qц - результат аналогово-цифрового преобразования;

D_x - цифровые данные для отображения и регистрации.

3. Выбор и расчет структурной схемы

Структурная схема канала измерения расхода изображена на рисунке 1

Рисунок 1 - Структурная схема канала измерения расхода

СУ - сужающее устройство; Д - дифманометр; БИК - блок извлечения корня; БГРТ - блок распределения токового сигнала; М-64 - ЭВМ; РМОТ - рабочее место оператора-технолога; УПЗ - устройство печатающее.

Метод измерения расхода основан на создании в измерительном трубопроводе с помощью СУ местного сужения потока, часть потенциальной энергии которого переходит в кинетическую энергию, средняя скорость потока в месте его сужения повышается, а статическое давление становится меньше статического давления до СУ. Разность давления (перепад давления) тем больше, чем больше расход среды, и, следовательно, она может служить мерой расхода.

То есть расход преобразуется в перепад давления: . Уравнение преобразования сигнала:

где ΔP - перепад давления между сечениями, находящимися по разные стороны диафрагмы;

Q - измеряемый расход;

k - коэффициент расхода СУ.

Градуировочная характеристика сужающего устройства изображена на рисунке 2

P = 0…6 кПа

Рисунок 2 - Градуировочная характеристика сужающего устройства

Далее сигнал поступает в измерительный блок дифманометра и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента (мембрана). Далее эта деформация преобразуется в изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном преобразователе. Электрический преобразователь преобразует разбаланс мостовой схемы в токовый выходной сигнал. Перепад давления преобразуется в токовый сигнал: . Уравнение преобразования сигнала:

,

где I - расчетное значение выходного сигнала;

  - перепад давления;

 - верхний предел измерения давления;

 - максимальное значение выходного сигнала;

 - минимальное значение выходного сигнала.

График градуировочной характеристики изображен на рисунке 3

 = 0…6 кПа;

Ip = 0…5 мА.

Рисунок 3 - Градуировочная характеристика дифференциального манометра типа "Сапфир-22М-ДД"

Для выработки унифицированного сигнала пропорционального расходу необходимо осуществить операцию извлечения корня квадратного из величины сигнала пропорционального перепаду давления DР. Если входной сигнал I_вх=DР, то после выполнения операции извлечения корня выходной сигнал I_вых будет пропорционален расходу Q.

На выходе из БИК получаем линеаризованный токовый сигнал: . БИК-1, предназначен для преобразования входного сигнала в выходной сигнал в соответствии с формулой:

I = I _{вых min} + (I _{вых max -} I _{вых min})

где I  - выходной сигнал, мА;

I _{вых min} - нижнее предельное значение выходного сигнала, мА;

 - нижнее предельное значение входного сигнала, мА.

I _{вых max -} верхнее предельное значение выходного сигнала, мА;

 - верхнее предельное значение входного сигнала, мА.

Ip - текущее значение входного сигнала, мА;

График градуировочной характеристики приведен на рисунке 4.

Ip = 0…5 мА.= 0…5 мА.

Рисунок 4 - Градуировочная характеристика БИК-1

Полученный токовый сигнал поступает на входные контакты блока распределения токового сигнала БГРТ и преобразуется в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем и через узел гальванической развязки в контроллер блока, где происходит обработка сигнала. С выхода контроллера сигнал поступает на шесть цифроаналоговых преобразователей, которые управляют генераторами тока. С генератора тока сигнал поступает на контакты выходного разъема блока. На выходе блока получаем шесть идентичных токовых сигналов.

 - выходной сигнал с БГРТ

 - входной сигнал с БИК

График градуировочной характеристики приведен на рисунке 5

I = 0…5 мА.

Iв = 0…5 мА.

Рисунок 5 - Градуировочная характеристика БГРТ

Далее токовый сигнал поступает на блок М-64, где он выполняет функции автоматизированного сбора и первичной обработки информации, используемой для контроля над технологическими процессами, функцию выдачи воздействий в дискретной форме, то есть преобразовывает аналоговый сигнал в цифровой код.

График градуировочной характеристики приведен на рисунке 6

Iв = 0…5 мА;ц = 0…50 .

Рисунок 6 - Градуировочная характеристика блока М-64

4. Метрологические характеристики структурных элементов, их функциональное назначение

4.1 Сужающее устройство

Сужающее устройство является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока из среды (в данном случае воды) образуется перепад давлений, зависящий от расхода. В качестве стандартных сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.

Измерительная диафрагма представляет собой диск, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода. При протекании потока жидкости в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления р_пот.

Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом секторе становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости.

Рисунок 7 - Измерение расхода жидкости методом переменного перепада давления

В проектируемом измерительном канале используется стандартная диафрагма, так как она проще в изготовлении и монтаже чем сопло. Диафрагма в отличии может от сопла применяться в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Стандартные диафрагмы устанавливаются на трубопровод с внутренним диаметром от 50 до 1000 мм. Неопределенность коэффициента истечения диафрагм меньше, чем у других СУ. Наличие небольшого содержания конденсата практически не оказывает влияния на коэффициент истечения. Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с концентрическим цилиндрическим отверстием, переходящим в коническое.

Выбранная диафрагма имеет следующие характеристики:

угол между цилиндрической и конической частью отверстия 45°;

толщина диска диафрагмы 7,5 мм;

длина цилиндрической части отверстия 3 мм;

диаметр угловых отверстий для отбора давления 4,5 мм;

внутренний диаметр трубопровода 150 мм;

проходное сечение диафрагмы 50,137 мм;

модуль m=0,22

Предел допустимой основной погрешности: ±1%.

4.2 Дифференциальный манометр

Предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разреженного, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи разности давлений могут использоваться для преобразования значений уровня жидкости, расхода жидкости или газа в унифицированный токовый выходной сигнал.

Для проектируемого ИК измерения расхода воды выбирает ДМ типа "Сапфир-22М-ДД" модели 2450.

Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Электронный преобразователь преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезсторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Рисунок 8 - Схема преобразователя Сапфир-22М-ДД модель 2450

Метрологические характеристики:

верхний предел измерений (диапазон) - 0,63 МПа;

предельно допускаемое рабочее избыточное давление - 16 МПа;

предел допустимой основной погрешности: ±0,5%;

дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры окрузающей среды: ±0,45%;

вариация выходного сигнала не превышает

зона нечувствительности не превышает 0,05%;

Технические характеристики:

выходной сигнал 0-5мА;

электрическое питание (36 ± 0,72) В;

нагрузочное сопротивление датчиков при напряжении питания 36 В не более 2,5кОм;

потребляемая мощность, не более 0,8 ВА;

материал - углеродистая сталь с покрытием;

масса - не более 6 кг;

межповерочный интервал - 3 года;

гарантийные обязательства:

гарантийный срок хранения 6 месяцев со дня реализации.

4.3 Блок извлечения корня

Блок БИК-1 предназначен для линеаризации статической характеристики и питания дифманометров комплекса преобразователей "Сапфир-22" при измерении расхода газообразных и жидких сред.

Блоки применяются в системах контроля, регулирования и давления технологическими процессами на атомных станциях и взрывоопасных производствах, работают с преобразователями разности давлений при измерении ими расхода газа или жидкости с помощью стандартных сужающих устройств.

Функциональная схема блока извлечения корня БИК-1 приведена на рисунке 9.

Метрологические характеристики:

предел допустимой основной приведенной погрешности: ± 0,25%;

вариация показаний не превышает ±0,2%;

Технические характеристики:

входной сигнал 0-5мА;

выходной сигнал 0-5мА;

выходное стабилизированное напряжение постоянного тока источника питания - 36 В;

входное сопротивление не более 500 Ом;

емкость 0,6мкФ;

пульсация выходного согнала постоянного тока не более ±0,6%;

пульсация выходного сигнала напряжения не более ±0,2%;

номинальный ток нагрузки источника питания 20А;

напряжение 220, 240 В;

частота 50, 60 Гц;

потребляемая мощность до 10ВА;

масса 4,2 кг.

габаритные размеры:

основного варианта исполнения 80х160х358 мм;

уменьшенного варианта исполнения 72х144х358 мм;

Условия эксплуатации:

температура - 10. +60°С;

относительная влажность до 95 %;

частота вибрации 5-80 Гц;

относительная влажность воздуха при 35 С не более 98%;

атмосферное давление 84-106,7 кПа (630-800мм. рт. ст);

при эксплуатации блоков допускается воздействие магнитных полей постоянного и переменного тока частотой (50+1) Гц и напряженностью до 400А/м любого направления и фазы.

Рисунок 9 - Функциональная схема БИК-1

- резистивный преобразователь входного тока; 2 - двухвходовый амплитудный модулятор; 3 - фильтр нижних частот; 4 - широтно-импульсный модулятор; 5 - преобразователь напряжения в ток; 6 - источник напряжения постоянного тока; 7 - преобразователь постоянного тока в переменный; 8,9 - выпрямители.

4.4 Блок распределения унифицированного токового сигнала БГРТ

Предназначен для гальванической развязки и формирования шести идентичных выходных сигналов из входного токового сигнала.

Входной сигнал 0-5 мА поступает на входные контакты блока и преобразуется в цифровую форму двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем и через узел гальванической развязки в контроллер блока, где происходит обработка сигнала. С выхода контроллера сигнал поступает на 6 цифроаналоговых преобразователей, которые управляют генераторами тока. С генератора тока сигнал поступает на контакты выходного разъема блока.

Метрологические характеристики:

основная погрешность преобразования: ±0,2%;

предел допускаемой дополнительной погрешности, при изменении напряжения питания относительно номинального: ±0,1%;

предел допускаемой дополнительной погрешности, при изменении температуры окружающего воздуха от 5 до 55°С: ±0,1%;

предел допускаемой дополнительной погрешности при верхнем значении влажности окружающего воздуха 98%: ±0,1%.

Технические характеристики:

входной сигнал 0-5мА;

выходной сигнал 0-5мА;

входное сопротивление не более 1,01 кОм;

Условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха 18 - 22 ^оС;

относительная влажность 40 - 90 %;

атмосферное давление 84 - 107 кПа.

4.5 Комплекс связи с объектом типа М-64

Выполняет функцию автоматизированного сбора и первичной обработки информации, используемой для контроля над технологическими процессами, функцию выдачи воздействий в дискретной форме, а также функцию обмена данными между терминальными субкомплексами и вычислительным комплексом.

Метрологические характеристики:

дополнительная погрешность при изменении температуры окружающей среды от 5 до 40°С: ±0,3%;

дополнительная погрешность при изменении относительной влажности от 40 до 90%: ±0,3%;

дополнительная погрешность при воздействии вибрации с частотой 50Гц и амплитудой 0,1мм: ±0,15%.

Условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха 15 - 25°С;

относительная влажность воздуха 50 - 80 %;

атмосферное давление 84 - 107кПа.

4.6 Рабочее место оператора технолога - программно-технический комплекс

Собранная и обработанная информация представляется операторам-технологам на цветных мониторах рабочих мест в виде видеограмм: мнемосхем, таблиц, гистограмм, графиков, сообщений о событиях. На видеограммах индицируются текущие значения аналоговых параметров, состояния запорной арматуры, механизмов, защит и блокировок, различная справочная информация, а также сигнализируются цветом и звуком отклонения аналоговых параметров от нормы. Кроме индивидуальной, организуется групповая сигнализация на видеограммах и функциональных клавиатурах.

Информация на дисплеях отображается в виде:

) видеограмм, представляющих собой фрагменты мнемосхем или таблицы, на которых индицируются значения аналоговых параметров, состояния оборудования, признаки выбора арматуры и механизмов по избирательной системе управления (ИСУ), сигналы срабатывания защит и т.д.;

) аварийных и предупредительных сигналов индивидуальной и групповой сигнализации;

) графиков изменения технологических параметров, показывающих тенденцию их развития, включая предысторию;

) линейных диаграмм (гистограмм) для технологически взаимосвязанных параметров с указанием заданных и предельных значений;

) сообщений о важнейших событиях (экран событий);

) справочной информации о параметрах.

5. Моделирование измерительного канала расхода в среде LabView

Программная система LabView является удобным средством для проектирования измерительных каналов, приборов, систем. Она обеспечивает построение и моделирование измерительных структур различной сложности. Система имеет библиотеку виртуальных модулей (моделей) измерительных средств, их отдельных блоков и компонентов. Она позволяет создавать виртуальные измерительные приборы любой сложности и формировать свою библиотеку виртуальных средств (VI). Система обладает удобными средствами редактирования и отладки и обеспечивает работу с реальными измерительными приборами, модулями и сигналами.

Создание виртуального измерительного средства связано с определением его измерительной функции, созданием лицевой панели с органами управления и средствами представления данных, созданием структурной схемы, выполняющей заданную измерительную функцию, редактированием и отладкой работы измерительного устройства. Для этого система поддерживает соответствующие режимы: создание лицевой панели измерительного прибора - Panel, создание структурной схемы и отладка работы - Diagram.

Каждый режим имеет свое окно, панель управления и поддерживается библиотекой (палитрой) моделей функциональных блоков (виртуальных модулей). Рассмотрим канал расхода воды.

Блок схема идеальной модели измерительного канала представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Идеальная модель измерительного канала

Идеальная модель не содержит погрешностей, это можно увидеть по показателям блоков на рисунке 11.

Рисунок 11 - Лицевая панель измерительного канала

Идеальная модель не подходит для применения на производстве. У каждого блока измерительного канала существует основная погрешность, приведенная в технических характеристиках.

На рисунке 12 рассмотрена блок схема с внесенными основными погрешностями для каждого блока измерительного канала.

Значение параметров с внесенной погрешностью показана на рисунке 12.

Заключение

В контрольной работе был разработан измерительный канал расхода воды, его математическая модель, структурная схема, а так же определены метрологические характеристики.

Так же измерительный канал был спроектирован в среде Labview, показано два случая, идеальная и реальная модели.

Список используемой литературы

1.      РД 50-453-84 Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений.

2.      МТ 34-70-038-87 Методика определения обобщенных метрологических характеристик ИК ИИС и АСУТП по метрологическим характеристикам агрегатных средств измерений.

.        Блок гальванического разделения с токовым выходом БГР-Т. Паспорт 313.087.942. ПС или руководство по эксплуатации 0.308.087. РЭ.

.        Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Комаров Б.Г. Построение измерительных каналов с применением среды графического программирования Labview. Методические указания к лабораторным работам. СПб.: Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001 - 32с.

.        Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. Е15 LabVIEW для радиоинженера от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руковдство для работы в программной среде LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 400с.

.        ГОСТ 8.563.1-97 Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентуре, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия.