Разработка проектно-конструкторской документации прибора для измерения плотности жидкости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет информационных технологий

Кафедра информационных технологий

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении»

Разработка проектно-конструкторской документации прибора для измерения плотности жидкости

Барнаул 2012

Содержание

• Введение
• 1. Обзор методов измерений плотности какой-либо жидкости

1.1 Виды плотности и единицы измерения

1.2 Ареометр

1.3 Виды плотномеров

• 1.4 Выбор устройства измерения
• 2. Функциональная схема
• 2.1 Расчёт погрешности измерительного прибора
• 2.2 Описание элементов схемы
• 3. Разработка принципиальной электрической схемы и печатной платы
• 3.1 Моделирование печатной платы
• 3.2 Описание элементов схемы
• 3.3 Разработка корпуса и компоновка деталей
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

В широкой номенклатуре средств аналитического контроля важное место занимают измерители плотности, которые на многих предприятиях могли бы давать основную информацию о параметрах технологических процессов, поскольку плотность определяет состав и свойства продукции. Весьма важным является измерение плотности жидких и газообразных веществ при их количественном учёте в единицах массы, которая определяется по показаниям плотномера и объёмного расходомера. Однако широкому промышленному использованию плотномеров препятствует их несовершенство, связанное с низкими метрологическими показателями, трудоёмкостью монтажа и обслуживания, большими габаритами и массой, малой надёжностью и т.п.

Целью данной курсовой работы является создание проектно-конструкторского документа для конкретной специализированной задачи - измерение плотности жидкости.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести обзор физических явлений и методов, применяемых для определения плотности жидкости;

- выполнить обзор устройств измерения плотности жидкости и сделать обоснованный выбор измерительного прибора для дальнейшего рассмотрения;

- рассмотреть принцип работы измерительного устройства на основе выбранного прибора;

- разработать принципиальную схему и схему печатной платы отдельного элемента устройства.

Практическая значимость работы заключена в рассмотрении принципа работы и конструкции прибора для измерения плотности жидкости.

1. Обзор методов измерений плотности жидкости

1.1 Виды плотности и единицы измерения

Плотность -- скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:

Средняя плотность тела -- отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.

Плотность вещества -- это плотность тел, состоящих из этого вещества. Отсюда вытекает и короткая формулировка определения плотности вещества: плотность вещества -- это масса его единичного объёма.

Плотность тела в точке -- это предел отношения массы малой части тела, содержащей эту точку, к объёму этой малой части, когда этот объём стремится к нулю[1]. При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Исходя из определения плотности, её размерность кг/мі в системе СИ и в г/смі в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

- истинную плотность, определяемую без учёта пустот;

- кажущуюся плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости -- доли объёма пустот в занимаемом объёме.

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.

1.2 Ареометр

Ареометр -- прибор для измерения плотности жидкостей, принцип работы которого основан на Законе Архимеда. Считается, что ареометр изобрела Гипатия.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора или концентрации растворенного вещества. Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость. Соответственно, различают ареометры постоянного объёма и ареометры постоянной массы[4].

- для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

- для измерения ареометром постоянного объёма изменяют его массу, достигая его погружения до определённой метки. Плотность определяется по массе груза (например, гирек) и объёму вытесненной жидкости.

Для практического применения ареометр градуируют в концентрации растворенного вещества, например:

- спиртомер - в процентах алкоголя для измерения крепости напитка;

- лактометр - в процентах жира для определения качества молока;

- солемер - для измерения солености раствора;

- сахаромер - при определении концентрации растворенного сахара;

Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, измерения концентрации должны проводиться при строго определенной температуре, для чего ареометр иногда снабжают термометром.

1.3 Виды плотномеров

На сегодняшний день известно множество устройств для измерения плотности жидкости. В данной пояснительной записке представлено пять схем для измерения плотности.

Рисунок 1 - Камертонный вибрационный плотномер газов

На рисунке 1 показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом 7, катушек возбуждения 3 с магнитом 7, камертона 10, расположенного в корпусе 5, и электронного усилителя 4. Частота колебаний системы на выходе усилителя 4 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.

Рисунок 2 - Проточный вибрационный плотномер

На рисунке 2 показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 (резонаторы), установленные в сильфонах 11 и скрепленные перемычками 6. Сильфоны 11 расположены в опорах. Указанные трубки, катушка 2, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 3 и электронный усилитель 4 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 4 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 8, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 9, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690-- 1050 кг/м3, температура жидкости 10--100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м3.

Рисунок 3 - Вибрационный погружной плотномер

Чувствительный элемент состоит из лопатки 19, укрепленной на конце упругого стержня 20, второй конец которого установлен в отверстие днища 21 корпуса 5. В корпусе установлены также системы возбуждения 3 и съема 2 колебаний, обеспечивающие колебания стержня в двух плоскостях. Система возбуждения и съема включены в цепь усилителей по схеме автогенератора. Выходы усилителей подключены к входам смесителя частот, выход которого через низкочастотный фильтр подключен к частотомеру. Стержень выполнен с нечетным числом слоев, например тремя, причем крайние слои изготовлены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, отличным от температурного коэффициента линейного расширения материала центрального слоя. Сечение стержня симметрично оси О1 О1 и относительно оси О2 О2, лежащих в плоскостях колебаний стержня.

Плотномер работает следующим образом. Стержень 20 вместе с лопаткой 19 приводится в режим автоколебаний с частотами f1 относительно оси О1 О1, и f2 относительно оси О2 О2, для чего потери колебательной энергии стержня восполняются через цепи элементов 2 и 3. Сумма и разность частот f1 и f2 , образуются на выходе смесителя, а в низкочастотном фильтре выделяется разность частот f1 - f2 , которая не зависит от температуры стержня, а определяется только присоединенной массой жидкости к стержню, однозначно связываемая ее с плотностью.

Рисунок 4 - Дифференциальный вибрационный плотномер

На рисунке 4 изображена схема дифференциального вибрационного плотномера. Устройство содержит два резонатора 1, выполненных заодно в виде двух сдвоенных камертонов, установленных на общих основаниях и имеющих ветви, расположенные во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Общие основания камертонов установлены на мембранных коробках 12, через которые они сообщаются с технологическим трубопроводом. Статический момент инерции I1 сечения ветвей первого камертона относительно оси ХУ больше, чем статический момент инерции I2 второго камертона относительно оси XX, при этом толщина стенки д1 первого камертона меньше толщины стенки д2 второго камертона, т.е. В>A. Для возбуждения колебаний второго камертона применен возбудитель 3, усилитель 4, приемник 2, для возбуждения колебаний ветвей первого камертона применен возбудитель 3, усилитель 4 и приемник 2.

Системы возбуждения подключены к смесителю 13 частот, который через низкочастотный фильтр 14 подключен к измерительному прибору 8. Контролируемая среда подается по трубопроводу, проходит по ветвям камертонов 1 и отводится по трубопроводу . Давление Р, а следовательно, скорость течения V среды через ветви камертона изменяется. Это приводит к изменению собственных частот f1р, f2р колебаний камертонов, которые возбуждаются, разность частот выделяется в смесителе 13 и низкочастотном фильтре 14, не зависит от изменения давления Р и скорости U течения среды. Разностная частота fq зависит только от контролируемой плотности с и регистрируется прибором 8.

На рисунке 5 изображена схема вибрационного датчика плотности. Датчик содержит резонатор в виде двух одинаковых параллельных трубок 1, соединенных между собой системой упругих перемычек 6, установленных между центральной частью резонатора и его жесткими основа­ниями, и двух одинаковых компенсирующих сильфонов 15, расположенных между трубами 1 и параллельно им. Сильфоны 15 открытыми концами соединены между собой патрубком 16, а закрытыми концами жестко прикреплены к жестким основаниям с помощью упоров.



Рисунок 5 - Вибрационный датчик плотности

Патрубок 16 своей средней части закреплен в корпусе датчика элементами. Концы трубок 1 посредством четырех одинаковых развязывающих сильфонов 17 соединены с двумя распределителями жидкости, предназначенными для ввода и вывода исследуемой жидкости. Внутренняя замкнутая полость, образованная патрубком 16 и сильфонами 15, сообщена посредством гибкого трубопровода с входным распределителем жидкости. Система возбуждения резонатора состоит из приемника 2 колебаний, возбудителя 3 и усилителя 4. Частотомер 18 предназначен для регистрации выходного сигнала датчика.

Датчик работает следующим образом. Исследуемая жидкость входит в датчик через входной распределитель жидкости и через развязывающие сильфоны 17 и выходной распределитель жидкости выходит из датчика. Одновременно исследуемая жидкость через входной распределитель жидкости и гибкий трубопровод поступает в замкнутую полость. Система возбуждения приводит в автоколебания в противофазе трубки 1 резонатора. Частота автоколебаний регистрируется частотомером 18.

Схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором. Условные обозначения: 1-резонатор; 2-приемная катушка; 3-катушка возбуждения; 4-фланцы; 5-корпус; 6-тонкостенный цилиндр.

Рисунок 7 - Принципиальная схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором.

Помимо рассмотренных преобразователей у нас и за рубежом широкое распространение получили вибрационные плотномеры с оболочковы­ми резонаторами в виде вибрирующих цилиндров. На рисунке 5, а показан вибрационный плотномер, резонатором которого служит тонко­стенный цилиндр 1 с фланцами 2 на торцах [2]. Цилиндр изготовляется из магнитного материала с малым коэффициентом термоупругости (например, из элинвара) с толщиной стенки 0,6 мм для жидкостей [3]. Резонатор закреплен в немагнитном корпусе 3, устанавливаемом в технологическом трубопроводе или в байпасной линии. Корпус может быть изготовлен из алюминия, нержавеющей стали и т.д. Контролируемая жидкость протекает как внутри резонатора, так и снаружи через отверстия во фланцах 2, что позволяет уравнять давления на его стенки. Электромагнитная система возбуждения состоит из возбуждающей 4 и приемной 5 катушек. Применение катушек чашечного типа вместо соленоидов позволило увеличить зазор между катушками и резонатором, что положительно сказалось на добротности колебательной системы. При работе цилиндр совершает кольцевые колебания и приводит в движение окружающую его жидкость. Форма резонатора при его колебаниях на основной частоте показана на рисунке 5, б. Диаметрально противоположные участки стенки цилиндра колеблются в противофазе, а фланцы являются узлами колебаний. Частота колебаний зависит от жесткости цилиндра и общей колеблющейся массы, т.е. массы стенок и "присоединенной массы" жидкости. Первичный преобразователь целесообразно монтировать на вертикальном участке трубопровода, чтобы жидкость проходила через него снизу вверх, что способствовало бы удалению газовых включений из полости резонатора.

1.4 Выбор устройства измерения

Для проведения измерений был выбран вибрационный портативный погружной плотномер DM-230.

Вибрационный портативный погружной плотномер DM-230.1B позволяет определить реальную плотность и температуру жидкостей непосредственно в резервуаре (до 6 м), без отбора проб. DM-230.1B используется для контроля качества и товарного учета жидкостей.

Широкое использование портативный погружной плотномер получил в нефтехимической отрасли для товарного учета нефти и нефтепродуктов при транспортировке и хранении. Оперативное измерение плотности и температуры в ж/д цистернах, бензовозах и горизонтальных резервуарах для нефтепродуктов помогает не только сэкономить время, но и избежать рисков, связанных с некачественным пробоотбором, ошибками при проведении лабораторных анализов и идентификации проб.

Также немаловажной проблемой пробоотбора является изменения свойств пробы за счет частичного дегазирования, испарения летучих соединений, изменения температуры и плотности, и.т.д. Таким образом, отобранная проба нефтепродукта или нефти будет отличаться от той, который находится в резервуаре. Именно поэтому при товарном учете оперативные измерения непосредственно в резервуаре являются более корректными.

Особенно стоит отметить сложность и длительность стандартной процедуры измерения плотности нефтепродуктов - измерение плотности ареометром в отобранной пробе на месте пробоотбора. При измерении плотности ареометром, оператор при сложных погодных условиях вынужден с трудом высматривать значения плотности на шкале ареометра, а затем полученные значения корректировать и пересчитывать на значения приведенной плотности. При этом портативный плотномер DM-230.1B имеет ЖКИ с подсветкой, где отображаются результаты измерений, также он производит автоматическую температурную компенсацию и избавляет оператора от необходимости ручного пересчета приведенных значений плотности при помощи функции автоматического пересчета реальной плотности и температуры к значениям плотности при 15°С и 20°С (другие приведенные значения заказываются отдельно).

Встроенный инфракрасный порт служит для передачи данных на компьютер или портативный принтер для печати.

Рисунок 8 - Плотномер DM-230.

Основные технические данные и характеристики:

Одновременное измерение плотности и температуры нефтепродуктов в горизонтальных резервуарах, без отбора проб, на глубине до 6 метров;

- быстрые и точные измерения;

- измерения на различных уровнях резервуара с учетом расслоения жидкости:

- широкий диапазон рабочих температур (-30...+50°С);

- компактный, портативный и эргономичный;

- ударостойкий;

- измерения нефти и других вязких продуктов;

- автоматическая температурная коррекция;

- измерения плотности в диапазоне 0.6500-1.1000 г/см3;

- калибровка пользователем дистиллированной водой;

- сохранение до 998 результатов измерений;

Для уменьшения погрешности в измерении необходимо провести серию измерений, после чего высчитать их среднее значение.

2. Функциональная схема

Функциональная схема прибора представлена на рисунке 9

Рисунок 9 - Функциональная схема плотномера. Условные обозначения: ДП - Датчик плотности; ДТ - Датчик температуры; АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

2.1 Расчёт погрешности измерительного прибора

Расчет погрешности измерительного канала сводится к оценке СКО отдельных звеньев (уi) с учетом дополнительных погрешностей от влияющих факторов и нахождения суммарной погрешности процесса измерительного преобразования:

, (1)

Относительная погрешность датчика плотности, приведенная к началу диапазона измерения, составляетд_ДПн=0,03%,а к концуд_ДПк=0,05%.

Относительная погрешность датчика температуры, приведенная к началу диапазона измерения, составляетд_ДТн=0,02%,а к концуд_ДТк=0,06%.

Для АЦП в начале и в конце диапазона д_АЦПн =0,1 % и д_АЦПк =0,15%.

Рассчитаем погрешность датчика. Учитывая вид закона распределения погрешности, принимаем значение квантильного коэффициента, для равномерного закона k =1,73 и по формуле

, (2)

находим у_ДПн = 0,02%, а в конце диапазона у_ДПк= 0,03 %.

Находим у_ДТн = 0,01%, а в конце диапазона у_ДТк= 0,04 %.

Для АЦП

Окончательно СКО для конца диапазона и для начала диапазона измерения

Приняв квантильный коэффициент К=1,73 для до*1.73верительной вероятности Р=0,90, окончательно для начала и конца диапазона измерений получим

д_Н=1,73·0,07 = 0,11%;

д_К=1,73·0,15 = 0,17%.

С учетом округлений запишем:

д_ик(х)=±[0,1+1].

где х - текущее значение измеряемой величины;

хп - предел диапазона измерения.

Приняв значение измеряемой величины равным 1 и задав диапазон измерения 2, получим значение погрешности:

Это расчетное значение погрешности следует умножить на коэффициент запаса, учитывающий старение элементов измерительного канала. Можно принять, что скорость старения не превышает 0,1% в год.

1.2 Описание элементов схемы

Принцип работы датчика плотности (ДП): образец непрерывно течет через вибрирующий U-образный сенсор. Измеренная характеристическая частота вибрации сразу пересчитывается в значения концентрации и плотности в отдельном вторичном преобразователе mPDS.

Встроенный температурный датчик (ДТ) позволяет осуществлять температурную компенсацию.

плотность ареометр погрешность плата

3. Разработка принципиальной электрической схемы и печатной платы

3.1 Моделирование печатной платы

Разработка печатной платы производилась в программной среде MicroCap.

Сначала была построена принципиальная схема.

Рисунок 10 - Принципиальная электрическая схема

3.2 Описание элементов схемы

Схема плотномера состоит из двух операционных усилителей. На первом (D1.1) собран генератор плотности. Второй (D1.2) включен по схеме компаратора и сравнивает входную плотность с плотностью приходящей с генератора. На его выходе в рабочем режиме присутствует прямоугольное напряжение с частотой генератора и скважностью прямо пропорциональной измеряемой плотности. Для подачи измеряемой плотности на плату желательно использовать экранированный кабель. Плотномер имеет общую с компьютером землю, это необходимо учитывать при выполнении измерения. Для передачи данных и питания используется последовательный порт. Диодный мост -- электрическая схема (состоит из 4-х диодов), предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

Возможные замены элементов.

Микросхему D1 (КР140УД20) можно заменить на импортный аналог LM747, или любой другой операционный усилитель, желательно сдвоенный, имеющий низкий ток потребления. Емкость сглаживающих конденсаторов можно уменьшить до 1 мкФ, хотя точность измерения это не увеличит. Резистор подключенный к линии TXD можно вообще не ставить, существует масса схем берущих питание напрямую с этой линии, при этом увеличится напряжение питания микросхемы, но так же увеличится вероятность выхода из строя последовательного порта. Для улучшения стабильности нуля можно добавить в схему стандартные для микросхемы цепи коррекции, хотя такого же результата можно добиться использованием программной корректировки.

3.3 Разработка корпуса и компоновка деталей

Заключительный этап это создание корпуса и компоновка основных узлов на лицевой панели.

Передняя панель блока измерительного с размещенными на ней элементами индикации и управления:

На передней панели блока измерительного размещены: четырехразрядный семисегментный светодиодный дисплей 1, светодиодный индикатор питания 4, кнопки 2, 3, 5 и 6 встроенной мембранной клавиатуры.

Четырехразрядный семисегментный светодиодный дисплей 1 служит для отображения текущих значений плотности контролируемой среды, температуры первичного преобразователя, общего времени наработки плотномера, сетевого номера плотномера и градуировочной информации.

Рисунок 11 - схематическая модель корпуса прибора. Условные обозначения: 1- светодиодный дисплей; 2, 3 - кнопки навигации по меню и изменения данных; 4 - индикатор питания; 5 - кнопка включения питания; 6 - кнопка ввода данных.

Светодиодный индикатор питания 4 индицирует наличие питания блока измерительного.

Кнопка включения питания 5 управляет подачей питания на блок измерительный.

Кнопки навигации по меню и изменения данных 2 и 3, и кнопка ввода данных 6 служат для выбора индицируемого параметра и ввода служебной информации.

Заключение

В курсовом проекте были рассмотрены принципиальные методы измерения плотности жидкости и примеры датчиков для измерения плотности жидкости.

Главной задачей была разработка проектно-конструкторской документации прибора для определения плотности жидкости. После обоснованного выбора прибора для определения плотности жидкости для дальнейшего рассмотрения принципа работы устройств была построена принципиальная электрическая схема прибора и схема печатной платы. По результатам проделанной работы возможно изучение принципа измерения плотности жидкости и изготовление прибора для непосредственного измерения плотности жидкости.

Список использованных источников

1 Рогова М.В. Способ определения плотности жидких сред и устройство для его осуществления. / В.В. Власов, A.B. Власов Патент на изобретение РФ № 2299419. «Бюллетень изобретений», 2007, № 4.

2 Плотность

3 Гаузнер С.И., Кивилин С.С., Осокина А.П. Измерение массы, объема и плотности: - М. : Издательсто стандартов, 1972. - 623 с.

4 Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Технические измерения плотности. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2004. - 80 с.

5 Профос П. Измерение в промышленности. Т.2. - М. : Металлургия, 1990 - 383 с.

6 Тарбеев Ю.В. Измерения массы, плотности и вязкости. - М. : Издательство стандартов, 1988. - 175 с.

7 Прохоров А.М. Физическая энциклопедия. - М. : Большая российская энциклопедия, 1992. - 637 с.

Размещено на Allbest.ru