Разработка сигнализатора довзрывных концентраций горючих компонентов в насосной

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В связи с тем, что Республика Беларусь является активным участником в международных проектах по перекачке и переработке нефте и газо-продуктов, актуальность проведения работ, направленных на повышение безопасности проведения отмеченных работ, не вызывает сомнений. Одним из возможных способов повысить безопасность при переработке и транспортировке нефтепродуктов является установка газоанализаторов и сигнализаторов горючих компонентов в помещениях насосных станций, в помещениях обработки нефтепродуктов и т.д.

Дело в том, что для каждого конкретного вида горючих компонентов (метан, пропан, водород и т.д), присутствие которого возможно в воздухе при проведении отмеченных работ, существует нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР). Горючие компоненты могут присутствовать как по отдельности, так и в совокупности.

Применение сигнализаторов реагирующих на совокупную концентрацию горючих компонентов в воздухе с регулируемым порогом обнаружения и сигнализации позволит заранее оповестить обслуживающий персонал о возможности аварийной ситуации, что позволит принять меры к ее предупреждению и избежать человеческих жертв и финансовых убытков.

Дипломный проект посвящен разработке сигнализатора довзрывных концентраций горючих компонентов в насосной, обладающим семисегментным индикатором, светодиодным индикатором режимов и интерфейсом, позволяющим объединить приборы контроля в систему приборов контроля, сигнализации и управления.

1. Расчётно-проектировочный раздел

1.1 Назначение и область применения проектируемого устройства

В ходе преддипломной практики была выбрана тема на дипломное проектирование - сигнализатор довзрывной концентрации в помещениях насосных станций.

Данное устройство предназначено для повышения безопасности при переработке и транспортировке нефтепродуктов является установка газоанализаторов и сигнализаторов горючих компонентов в помещениях насосных станций, в помещениях обработки нефтепродуктов и т.д.

Для каждого конкретного вида горючих компонентов (метан, пропан, водород и т.д), присутствие которого возможно в воздухе при проведении отмеченных работ, существует нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР). Горючие компоненты могут присутствовать как по отдельности, так и в совокупности.

Применение сигнализаторов реагирующих на совокупную концентрацию горючих компонентов в воздухе с регулируемым порогом обнаружения и сигнализации позволит заранее оповестить обслуживающий персонал о возможности аварийной ситуации, что позволит принять меры к ее предупреждению и избежать человеческих жертв и финансовых убытков.

Сигнализаторы предназначены для выдачи сигнализации о превышении установленных значений довзрывных концентраций горючих газов (метана CH4) в воздухе. Сигнализаторы могут быть использованы в невзрывоопасных зонах других производственных, административных и жилых помещений (кухни, ванны, оснащенные газовыми горелками, водогрейными газовыми колонками).

1.2 Выбор и обоснование аналога проектируемого устройства

Аналогом сигнализатора довзрывной концентрации в помещениях насосных станций является сигнализатор СГГ6М.

Принцип работы: термохимический

Время срабатывания сигнализации, не более 15 с

Рабочий температурный диапазон, +0...+5 ° С

Напряжение питания, 150...260 В ,50 Гц

Таблица 1 - Технические характеристики сигнализатора СГГ6М

Сигнализаторы СГГ6М-П10, -П10С, -П10Н состоят из блока датчика (БД) и блока сигнализации и питания (БСП1), обеспечивающего световую и звуковую сигнализации с одновременной выдачей сигнала на закрытие электромагнитных клапанов ("Клапан 220 В"; "Клапан 40 В"). Сигнализаторы СГГ6М-П10, -П10С, -П10Н имеют "сухие" контакты реле замыкающиеся при превышении порога концентрации горючих газов. Коммутационные параметры контактов реле - 220 В, 2,5 А.

Для увеличения числа точек контроля к СГГ6М-П10 может быть подключено до 40 вторичных блоков СГГ6М-В10, которые транслируют на БСП1 сигналы "ГАЗ" и информацию о состоянии линии связи между БД и БСП2 (контроль к.з. и обрыва линии). Способ забора пробы - диффузионный.

Технические характеристики данного аналога представлены в таблице 1. Внешний вид аналога представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид сигнализатора СГГ6М

1.3 Разработка структурной схемы устройства

Согласно задания, проведенного анализа данных, принципа работы, существующих аналогов, данного разрабатываемого устройства, была разработана структурная схема. Структурная схема сигнализатор довзрывной концентрации представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема сигнализатор довзрывной концентрации

ПНТ - преобразователь источника напряжения.

ТХФ - термохимический датчик.

ИУ - измерительный усилитель

СУМ - сумматор, реализующий функцию суммирования сигналов с ИОН и последующих импульсов с ПНЧ.

МК - микроконтролер

ИОН - источник опорного напряжения.

И - идикатор.

ПИ - преобразователь интерфейса (для подключения газоанализатора к ПК по интерфейсу RS485).

УФВС - формирователь выходного сигнала, предназначенный для формирования выходного унифицированного сигнала 0..5 мА гальванически разделенного.

1.4 Разработка функциональной схемы

Известно, что выходной сигнал современных типовых ТХД, находится на уровне 60..80 мкВ/10 ppm СН4 в воздухе, причем температурный дрейф ТХД в типовом включении составляет 60..100 ppm/100C, а приращение температуры на ИЭ составляет порядка 0,010C при концентрации СН4 в воздухе 10 ppm. При начальном сопротивлении элементов датчика R0 = 3 Ом, тока 0,12 А, Bpt = 3,85 * 10-3 1/0C и концентрации в 10 ppm приращение напряжения на ИЭ составляет ?U = I*R0*B*?t ? 140 мкВ, что является крайне низким выходным сигналом.

Известны способы повышения чувствительности параметрических датчиков, к которым относится и ТХД, заключающиеся в импульсном питании, при соблюдении среднеквадратичного значения тока равного номинальному. При условии, что постоянная времени нагрева ТХД намного больше периода питающего напряжения, амплитуда импульсов по сравнению с номинальным током (а стало быть и чувствительность) может быть увеличена в раз, где tn - длительность импульса, а T - его период [106, стр.45-48; 108-110]. Минимальная длительность импульсов должна устанавливаться исходя из окончания переходных процессов установления токов в ТХД [111, 112, с 211]. С учетом линии связи 5..10 м ее значение находится на уровне 0,1..1 мс. Тепловая же постоянная времени ТХД находится на уровне нескольких секунд. Таким образом, предельное значение коэффициента увеличения чувствительности можно оценить значением раз.

Вариант такой реализации представлен на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Измерительный преобразователь с ТХД, питаемым импульсным током

Где в стандартную мостовую схему, питаемую током, добавлены генератор импульсов ГИ, сумматор и устройство выборки-хранения. Источник тока I выводит ИЭ и КЭ на восходящие характеристики их S-образных характеристик, после чего импульсы тока Iимп скважностью n поступают на сумматор и ток I? поступает в питающую диагональ моста, причем при этом УВХ, управляемое импульсами с ГИ, запоминает розбаланс мостовой измерительной схемы при импульсном воздействии для дальнейшей обработки. При этом температурный режим внутри реакционной камеры не нарушается. Данное техническое решение было исследовано при скважности 10, увеличение чувствительности при I?ср (средний ток за период) = I (типовой рабочий ток для мостовой схемы) наблюдалось в 3,18 раз при комнатной температуре ИС (при нормальных условиях).

На основании этого была разработана следующая функциональная схема, представленная на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 Функциональная схема

ТХФ - термохимический датчик.

R0 - потенциометр балансировки моста.

UC - дифференциальный усилитель с коэффициентом усилия k.

ПНТ - преобразователь напряжение-ток.

ИОН - источник опорного напряжения.

И - индикатор.

УФВС - формирователь выходного сигнала, предназначенный для формирования выходного унифицированного сигнала 0..5 мА гальванически разделенного.

ПИ - преобразователь интерфейса (для подключения газоанализатора к ПК по интерфейсу RS485).

ПНЧ - преобразователь напряжения частоты, для формирования ширины импульса от 4 мс до 10 мс от RI.

СУМ - сумматор, реализующий функцию суммирования сигналов с ИОН и последующих импульсов с ПНЧ.

Для упрощения конструкционную часть функциональных узлов, таких как ПНЧ, КЛ1, АЦП было решено реализовать на основе микроконтроллера.

Измененная функциональная схема представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Функциональная схема с использованием микроконтроллера

сигнализатор датчик микроконтроллер насосный

Где: сигнал с потенциометра крутизны RS попадает на вход АЦП1, а сигнал с потенциальной величины импульса тока попадает на вход АЦП2.

Временные диаграммы поясняющие работу функциональной схемы представлены на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 Диаграммы временные, поясняющие режимы работы функциональной схемы

Схема работает следующим образом: на вход усилителя подается сигнал с диагональю моста, образовывая элементы RI, RK, R0, R, после усиливается на УС. После чего происходит с помощью конденсаторов C фильтрация случайных помех, которые потом с выхода RS преобразовываются в цифровой сигнал микроконтроллера, после чего происходит индикация измеренной концентрации горючих компонентов на индикаторе семисегментном и светодиодном, и выдача микроконтроллером унифицированных выходных сигналов. Сигнал с МК tn попадает на вход Сум.

После чего в сумматоре СУМ этот сигнал суммируется с сигналом ИОН, который далее поступает на ПНТ и тем самым формируется рабочий ток I в рабочем плече моста. В момент действия импульса в n раз увеличивается чувствительность схемы, где n - отношение Иион и tи. Среднеквадратичное значение I = Iраб ТХД (паспортные данные). Задание RI длительности импульса требуется для подстройки тепловой постоянной конструктивна ТХД.

1.5 Поиск и устранение неисправностей

Процедура поиска и устранения неисправностей истолковывается просто как ремонт отказавшего устройства. Специалист, занятый поиском и устранением неисправностей, кроме всего прочего, должен уметь оценивать качество функционирования радиоэлектронной аппаратуры путём сопоставления своих теоретических знаний с реальным поведением устройства. Такая оценка должна проводиться до и после ремонта неисправного устройства.

Любое радиоэлектронное устройство обладает ограниченной надёжностью и сроком службы. В связи с этим возникает острая необходимость в техническом обслуживании и ремонте. Для сокращения времени на поиск неисправности и увеличения эффективности ремонта необходимо наличие современных технических средств (стендовая аппаратура и контрольно-измерительные приборы).

Существуют хорошо проверенные методы и этапы поиска неисправностей. Первым шагом является тщательный внешний осмотр аппаратуры. Проверяется, нет ли сгоревших предохранителей, разрушенных или утративших первоначальный цвет компонентов, обрывов, повреждённых участков плат, трансформаторов с запахом гари, перегретых деталей, вытекших электролитических конденсаторов. Другими словами обращается внимание на любое отклонение от нормы. Затем продолжается поиск неисправностей примерно в следующей последовательности:

- изучение электронного устройства;

- замеры питающего напряжения;

- метод от конца к началу;

- последовательное деление схемы;

- размыкание цепи обратной связи;

- логическое разделение системы;

- сравнение с известными правильными результатами;

- применение диагностических систем.

Все неисправности в системах ЭВС можно разделить на: механические и электрические.

Механические неисправности возникают в галетных и кнопочных переключателях, переменных и подстроечных резисторах, в узлах соединения и коммутации.

Электрические неисправности возникают в электрических цепях и проявляются в виде коротких замыканий и обрывов, выводов и токопроводящих дорожек.

Основные способы отыскания неисправностей: соединение или закорачивание электрических цепей, отключение элементов, включение последовательных и параллельных цепей.

Таблица 1 - Таблица функциональной неисправности устройства.

2. Охрана труда

При разработке модуля ЭВС, необходимо соблюдать правила для предотвращения травматизма на всех стадиях изготовления, эксплуатации и утилизации. Рассмотрим эти три стадии в отдельности.

При изготовлении устройства. Будьте осторожны при травлении платы, так как для этого используется хлорное железо, а оно является пожаробезопасной и взрывобезопасной продукцией. При проведении работ, а также после их окончания необходимо проветрить помещение. Пыль хлорного железа вызывает раздражение слизистых оболочек органов дыхания и зрения, при попадании на кожу вызывает ожоги. При попадании на руки их необходимо вымыть водой с мылом. В случае попадания в глаза их необходимо обильно промыть водой. Не допускать попадания в желудок. При травлении желательно использовать индивидуальные средства защиты кожных покровов, глаз и органов дыхания.

Для улучшения пайки зачастую используют флюс, для использования которого есть ряд правил, которые необходимо соблюдать. Необходимо помнить, что помещение, в котором выполняются работы с флюсом, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Необходимо соблюдать правила личной гигиены. Не допускать попадания флюса внутрь организма. При работе с флюсом запрещается курить, принимать пищу. При попадании флюса на кожу необходимо промыть кожу холодной водой с мылом.

Пайка производится нагретым паяльником, температура которого 200-500?С поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности и избегать прямых контактов с кожей.

После окончания пайки для удаления флюса и чистки платы используют растворитель, который является химическим веществом. Необходимо помнить что растворители пожаро- и взрывоопасны. Они могут вызвать серьёзные отравления, а также привести к различным кожным заболеваниям. Поэтому необходимо соблюдать предосторожность при использовании этих веществ.

При эксплуатации. Для предотвращения выхода из строя устройства не рекомендуется использовать устройство не по назначению, проливать и погружать в жидкости и хим. вещества, замыкать источники напряжения. Также не рекомендуется использовать при очень низких и высоких температурах, большой влажности погоды, дожде, снегопаде и граде. Следует наблюдать за тем, что бы на устройство не попадала вода, пыль и др., что бы могло привести его в неисправное состояние.

После истечения эксплуатационного срока оборудования либо его внезапной поломки, не поддающейся восстановлению, устройство нужно утилизировать. Предметы радиоэлектроники нельзя утилизировать самому, так как они могут оказать вредное влияние на организм человека. Поэтому существуют различные предприятия, занимающиеся подобной работой и имеют специальную лицензию.

3. Энерго- и материалосбережение

Перед техником-электроником, разрабатывающим какой-либо электронный модуль ЭВС, стоит задача снижения энергозатрат и количество необходимого материала на изготовление. Ему необходимо сделать устройство как можно менее энергоёмким и как можно меньше по размерам.

Для сокращения расхода материала, необходимого для изготовления схемы, была сделана компоновка элементов с учетом наиболее компактного расположения элементов. Так же были выбрать элементы меньшего размера, что позволит сделать схему еще меньше.

В устройстве используется семисегментный индикатор, что позволяет потреблять меньше энергии чем при использовании LCD-дисплея.

Также для снижения энергозатрат следует выбрать элементы с наименьшей активной и реактивной мощностью, что снижает общее потребление мощности схемы. Расчет узлов проектируемого устройства таким образом, чтобы исключить использование лишних функциональных узлов или элементов.

4. Охрана окружающей среды

В настоящее время очень остро стоит вопрос загрязнения окружающей среды. Поэтому при разработке модуля ЭВС необходимо помнить, что устройство не должно загрязнять окружающую среду, как при работе, так и при приходе устройства в негодность. Если в устройстве содержаться элементы способные загрязнять окружающую среду или нанести вред здоровью при приходе устройства в негодность, его необходимо правильно утилизировать.

Устройство не содержит никаких химических и радиоактивных веществ, в своих элементах, поэтому при полном выходе устройства из строя, утилизировать можно без применения специальных технологий и средств.

Если вышли из строя только некоторые элементы, то их можно легко заменить и неисправные элементы не нанесут вред окружающей среде, но их необходимо утилизировать в соответствии с правила, так же как и все что утилизируется. Или при необходимости можно использовать уцелевшие элементы повторно выпаяв их из схемы, очистив от излишек припоя и проверив их на соответствие с номиналом.

Корпус устройства изготовлен из пластмассы, которая не разлагается, следовательно её нужно сдать в пунктах приёма втор. сырья. Почти все элементы и плату можно утилизировать как бытовой отход, так как эти элементы не излучают и не воздействуют пагубно на человека или природу. Однако некоторые элементы, например: микросхемы и семисегментные индикаторы лучше всего отдать специальным предприятиям по утилизации промышленных отходов.

Размещено на Allbest.ru