Астапов В.Н. Лекции по ТСА
Подождите немного. Документ загружается.
Одновременно под действием выталкивающей силы поплавок 6, совместно
с оптической решеткой 10, перемещается на сильфонах 4,5 пропорционально
плотности жидкости, чем самым осуществляется компенсация плотности
жидкости.
Оптоэлектронный преобразователь 9 представлен на рис.1. При
перемещении днища сильфона 8 одновременно с ним перемещается оптическая
решетка 10, в результате чего она пересекает оптические излучения светодиодов
и попеременно затемняются фотодиоды, которые вырабатывают импульсные
синусоидальные сигналы, принимающие нулевые значения при каждом
смещении решетки 10 на один шаг (16 мкм).
Сигналы на выходах между собой сдвинуты на 90
о
.
Преобразователь импульсов в цифровой код 14 перемещения решетки
(рис.3) преобразует синусоидальные сигналы в информационный цифровой код.
+ U
ï
9
1 1
1
2
3
4
1 0
Ð è ñ . 2
Рис.1. Оптоэлектронный преобразователь.
Сигналы с выходов оптоэлектронного преобразователя 9, сдвинутые на
90
о
, поступают на усилители 19,20. Усиленные сигналы поступают на
компараторы 21, 22 и на входы электронного нониуса 23 (рис.7).
Сформированные на выходах компараторов сигналы прямоугольной формы,
сдвинутые относительно друг-друга на 90
о
, поступают на логический фильтр 24
11
(рис.4), на выходе которого создаются импульсы или прямого, или обратного
счета. Эти импульсы поступают на входы счетчиков 25,26 прямого и обратного
счета. Как вариант в качестве счетчиков применены счетчики-таймеры серии
К580ВИ53. При прямом перемещении оптической решетки 10 (налив жидкости в
емкость), фильтр 24 пропускает импульсы на вход счетчика 25 прямого счета,
при обратном перемещении (слив жидкости из емкости) пропускает импульсы на
вход счетчика 26 обратного счета. Цена данных импульсов равна 16 мкм. Так как
счетчики-таймеры работают в обратном направлении, то для определения
фактической величины
импульсов, нужно произвести следующие вычисления.
N
факт.
= N
1
– N
2
. (1)
где N
факт.
– фактическое значение импульсов,
N
1
– первоначальное значение счетчика,
N
2
– текущее значение счетчика.
Для предотвращения так называемого дребезга оптоэлектронного
преобразователя, который возникает от волнения жидкости в емкости при наливе
или при интенсивном сливе ее из емкости, в результате которого возможны
колебательные движения днища сильфона, а соответственно и оптической
решетки, истинное значение перемещения оптической решетки 10 определяется
следующим образом. Из значения счетчика 25 прямого счета следует вычесть
значение счетчика 26 обратного счета. Таким образом, мы ликвидируем
повторный счет импульсов при колебаниях уровня при волнении.
12
1
2
3
4
1 9
2 0
2 1
2 2
2 3
1 4
U
Î Ë
U
Î Ë
Ð è ñ . 3
2 4
2 5
2 6
Рис.3. Преобразователь импульсов в цифровой код.
Работа логического фильтра поясняется осциллограммами (рис.5), которые
сняты в соответствующих точках схемы 1, 2, 3,4, a, b, c и d, для прямого счета и
обратного.
1
2
2 7
à
2 8
2 9
3 0
R 2
R 1
b
2 4
a
c
2
b
d
2
C 2
C 1
Ð è ñ . 4
Рис.4. Функциональная схема логического фильтра.
13
ï ð ÿ ì î é ñ ÷ ¸ ò
1
2
à
ñ
3
â
2
4
î á ð à ò í û é ñ ÷ ¸ ò
1
2
à
ñ
3
â
d
d
2
4
Ð è ñ . 6
Рис.5. Диаграммы сигналов проходящих через логический фильтр.
Электронный нониус служит для повышения точности измерения
перемещения сильфона до 1мкм. Потенциометрические резисторы
устанавливают пороговый уровень срабатывания компараторов 34 – 39 таким
образом, чтобы сигналы на их выходах имели сдвиг на 1/16 шага оптической
решетки. Уровни компараторов поступают на восьмиразрядный регистр 40, код с
которого считывается блоком обработки информации, и по таблице соответствия
(рис.6) определяется истинное значение перемещения оптической решетки.
ê î ä
Ì Ê Ì
0 1
1 2
3
4 5
6
7
8 9
1 0
1 1 1 2 1 3
1 4 1 5 1 6
0 3
0 7
0 F
1 F
3 F
7 F
F F
F Å
F C F 8 F 0 Å 0 C 0 8 0 0 0
Ð è ñ . 7
Рис.6. Таблица соответствия кода метрической величине.
Для преобразования показаний счетчиков в метрическую меру, нужно
разность умножить на 16 согласно формуле (2),
14
L = [N
пр.сч.
– N
обр.сч.
]
16 мкм (2)
Где L – истинное значение перемещения оптической решетки в мкм.
Это будет результат по грубой шкале отсчета. Для улучшения
разрешающей способности оптоэлектронного преобразователя перемещения
используется блок 23 электронного нониуса, который представляет собой блок
логики преобразователя аналогового сигнала доли синусоиды в цифровой код,
схема которого представлена на рис. 7. На выходе электронного нониуса
формируется цифровой код, который через информационный вход считывается
микроконтроллером. Микроконтроллер в таблице, хранящейся в
энергонезависимой памяти, в соответствии с прочитанным кодом выбирает
соответствующее коду значение точного перемещения оптической решетки в
единицах мкм, то есть это будет результат по нониусу точного отсчета. Общий
результат перемещения оптической решетки будет равен согласно (3)
L’=[(N
пр.сч.
– N
j,h/cx/
)
16 + l] мкм, (3)
где l – показания нониуса в мкм.
Так как перемещение оптической решетки пропорционально уровню
жидкости, то для получения показателя уровня нужно метрическую величину
перемещения оптической решетки умножить на коэффициент
пропорциональности К,
Y = L’
K,
где Y – измеряемый уровень жидкости в емкости.
Вычисления выполняет микроконтроллер по программам, хранящимся в
памяти программ, блока 16, а текущий результат хранится в энергонезависимой
памяти данных блока 17. Текущее значение уровня отображается на цифровой
индикации ЖК-дисплея. По последовательному порту данные могут
передаваться в компьютер диспетчера, а также в
15
3 1
4 7
3 4
3 5
3 6
3 2
3 7
4 0
3 8
3 9
3 3
U
î ï
2 3
Ð è ñ . 5
Рис. 7.. Функциональная схема электронного нониуса.
адаптивную систему компаундирования товарных бензинов. По геометрии
емкости можно рассчитывать и объем нефтепродуктов.
Таким образом, предложенное устройство для измерения уровня жидкости
исключает недостатки применяемых в настоящее время уровнемеров.
По аналогичной схеме разработан также буйковый оптоэлектронный
плотномер.
16
Лекция 5,6
Искробезопасное устройство для измерения плотности углеводородных
топлив в потоке.
Плотность является важнейшей характеристикой нефтепродуктов.
Различают абсолютную и относительную плотность вещества. Наиболее
распространены лабораторные методы определения абсолютной плотности,
основанные на взвешивании фиксированного объема нефтепродукта при
определенной температуре, либо на погружении эталонной массы
фиксированного объема в исследуемую среду. Эти методы используют широко
известные ареометры, гидростатические весы Вестфаля и пикнометры.
Указанные методы определения плотности являются лабораторными в
режиме отбора проб и не позволяют использовать их в технологической трубе в
процессе производства нефтепродуктов.
Исследования, показывают, что информацию о качественных
характеристиках нефтепродуктов несут в себе такие физические параметры, как
скорость звука и коэффициент поглощения. Данные параметры могут быть
измерены электрическими методами.
Так амплитуда плоских звуковых волн проходящих через контролируемую
среду уменьшается вследствие поглощения в среде по закону
I
x
= I
0
e
-2
x
, (1)
где I
0
– интенсивность (амплитуда) входящих в среду волн;
I
x
– их интенсивность после прохождения пути x;
- коэффициент поглощения звука (по амплитуде).
Учитывая поглощение акустической энергии, вызываемого вязкостью среды,
найдем
1
=
,
3
8
2
2
a
(2)
где
1
– поглощение акустической энергии вызываемое вязкостью среды;
17
- коэффициент вязкости (динамическая вязкость);
- длина волны;
- плотность жидкости;
a - скорость ультразвука.
Формула (2) показывает прямую связь плотности
)(
углеводородных
топлив с такими параметрами как скорость звука (а), вязкость (
) и температура
(θ). Эти данные дают принципиальную возможность определять плотность по
скорости распространения звука в нефтепродукте и величине поглощения
сигнала
)(
1
, вызываемой вязкостью среды.
В России плотность нефтепродуктов определяют при температуре 20
о
С и
относят к плотности воды при 4
о
С и обозначают через
20
4
. В случае
определения плотности при других температурах, проводят пересчет плотности
по формуле:
20
4
=
4
+ γ ( θ – 20 ), (3)
где:
4
– относительная плотность при температуре испытания,
γ – средняя температурная поправка плотности на 1
о
С,
θ – температура, при которой проводится опыт,
о
С.
Однако следует отметить, что результат пересчета плотности по формуле
получается правильным только в том случае, когда определение плотности
нефтепродуктов проводится при температуре не ниже 0
о
С и не выше 50
о
С.
Практическая реализация поточного электронно – акустического
устройства для измерения плотности нефтепродуктов поясняется
функциональной схемой представленной на рис.1.
Текущую информацию о скорости звука в жидкости через контролируемое
сечение байпаса, получаем за счет эффекта наложения вектора скорости потока
жидкости на вектор скорости ультразвукового сигнала (импульса),
распространяющегося от акустического излучателя до приемника.
При посылке сигнала в направлении потока жидкости, очевидно, время
прохождения сигналом базового расстояния
18
cos
va
L
T
, (4)
против потока – соответственно
cos
va
L
T
, (5)
где L – базовое расстояние;
а – скорость УЗ-сигнала в жидкости;
v – скорость потока жидкости;
- угол между осью акустического канала преобразователя (ПР) и осью
трубы.
Для
=0, cos
=1, тогда выражения (4 и 5) примут вид
va
L
T
, и (6)
va
L
T
. (7)
Время распространения звука в байпасе (трубе) Т
п
определяется как
средняя величина времени Т
+
- по течению и времени Т
-
– против течения.
2
ТТ
Т
П
. (8)
19
Рис.1. Функциональная схема поточного электронно-акустического плотномера.
Скорость звука проходящего через контролируемую жидкость определим
по формуле
П
T
L
a
,
20