Universitatea "Petrol - Gaze" Ploiesti

Facultatea de Inginerie Mecanica si Electrica

PROIECT

LA

Senzori-Traductoare-Masurari

TEMA: Sistem pentru masurarea nivelelui intre 0.50 cm.

Specializarea: Automatica si Informatica Industriala

PLANUL LUCRARII

Capitolul I: Metode utilizate pentru masurarea nivelului.

I.1. Traductoare bazate pe urmarirea nivelului.

I.2. Traductoare hidrostatice.

I.3. Traductoare electrice.

I.4. Traductoare cu surse de radiatii.

Capitolul II: Schema bloc a sistemului pentru masurarea nivelului. Functionare.

Capitolul III: Proiectarea blocurilor componente.

III.1. Alegerea traductorului.

III.2. Proiectarea convertorului analog/numeric.

Capitolul IV: Interfata grafica pentru afisarea nivelului.

Bibliografie

Capitolul I

METODE UTILIZATE PENTRU

MASURAREA NIVELULUI

Nivelul unui lichid sau nivelul de interfata dintre doua lichide nemiscibile poate fi determinat prin urmarirea suprafetei d 656g64g e separatie dintre faze, prin masurarea presiunii hidrostatice, exercitate de coloana de lichid sau prin metode indirecte.

I.1. Traductoare bazate pe urmarirea nivelului.

Acestea pot fi de tipul cu plutitor si de tipul cu imersor. Cele cu plutitor pot masura nivele pana la 20m, pe cand cele cu imersor pot masura nivele pana la 2-3m.

Traductoare cu plutitor: Acestea masoara nivelul prin intermediul unui plutitor care se deplaseaza odata cu suprafata de separatie dintre faze (lichid-vapori/aer sau lichid-lichid) si transmite in afara vasului pozitia sa prin diverse mijloace: articulatii, parghii, angrenaje s.a. In figura 1.a este prezentat un traductor cu plutitor pentru o variatie relativ mica a nivelului, iar in figura 1.b un traductor pentru masurarea nivelului in rezervoare inalte.

Principala problema a acestor traductoare o constituie transmiterea in afara a pozitiei plutitorului fara frecari, cu asigurarea etansietatii mediului din vas. In acest scop, se prefera transformarea deplasarii liniare a plutitorului in miscare unghiulara, care poate fi transmisa in afara cu frecari minime.

Traductoare cu imersor: Spre deosebire de plutitor, adancimea de scufundare a imersorului este variabila, iar pozitia sa este determinata de echilibrul dintre greutatea proprie, forta arhimedica si reactiunea din elementul de suspensie.

In cele mai multe cazuri, ca element de suspensie se foloseste un brat solidar cu un tub de torsiune, care serveste si ca element de transmitere in affara vasului a pozitiei imersorului, deci a nivelului, fara a fi nevoie de elemente de etansare (figura 2). Unghiul de torsiune Da al capatului interior al tubului de torsiune constituie o masura a cuplului reactiv de torsiune si, implicit, o masura a nivelului din interior.

Cand nivelul se afla sub cota h₀, toata greutatea imersorului este echilibrata de reactiunea din tubul de torsiune pe baza relatiei:

unde a_M este unghiul maxim de torsiune, C este o constanta de rigiditate a tubului de torsiune, iar r este bratul cuplului.

Cand nivelul depaseste cota h₀, imersorul se deplaseaza in sus pe inaltimea h₁ si, in acelasi timp, se scufunda in lichid pe adancimea h₂, astfel incat greutatea sa fie echilibrata de reactiunea din tubul de torsiune si de forta arhimedica. In conditii de echilibru static avem:

unde r este masa specifica a lichidului, iar S este sectiunea transversala a imersorului.

Din ultimile doua relatii obtinem o relatie intre deplasarea h₂ a imersorului si adancimea de scufundare a acestuia:

Nivelul din vas este determinat de relatia:

I.2. Traductoare hidrostatice.

Traductoarele de acest fel determina nivelul unui fluid pe baza presiunii hidrostatice exercitate de acesta la baza vasului sau la o anumita cota sub nivel (figura 3).

Presiunea hidrostatica se masoara cu un manometru diferential MD. Daca fluidul din vas este agresiv, sistemul manometric urmeaza sa fie umplut cu un lichid neagresiv. Acest lichid trebuie sa fie nemiscibil cu lichidul agresiv, sa aiba o greutate specifica mai mare decat a acestuia, sa-si pastreze fluiditatea la temperaturile de lucru ale instalatiei s.a. Delimitarea lui de lichidul agresiv se face in doua vase de separare VS, de diametru suficient de mare ca, la variatii ale nivelului din vasul tehnologic, variatiile de nivel din aceste vase sa fie neglijabile.

Pentru masurarea nivelelor mediilor polifazate la care exista pericolul obturarii orificiilor manometrelor diferentiale se folosesc traductoare cu insuflare de gaze. Prin doua conducte se injecteaza gaz inert la debit constant. Diferenta de presiune sesizata de manometrul diferential MD este tocmai presiunea hidrostatica din vas, care constituie o masura a nivelului.

Pentru reglarea debitului de gaz injectat este suficienta o reglare a presiunii de injectie a acestuia cu ajutorul unui regulator de presiune cu actionare directa RP.

Principala sursa de erori a traductoarelor de acest fel o constituie variatia masei specifice a lichidului cu temperatura.

I.3. Traductoare electrice.

Aceste traductoare determina nivelul pe baza unui parametru de circuit care depinde de nivel.

Trei variante de asemenea traductoare sunt:

cu traductor rezistiv, unde coloana de lichid scurtcircuiteaza o portiune de rezistor dependenta de nivel;

cu traductor inductiv, unde nivelul de lichid modifica inductivitatea unei bobine;

cu traductor capacitiv, unde nivelul modifica capacitatea condensatorului prin schimbarea naturii dielectricului.

I.4. Traductoare cu surse de radiatie.

La baza masurarii nivelului cu astfel de traductoare sta proprietatea radiatiilor radioactive de a fi absorbite in mod diferit de catre diverse substante si de a-si atenua intensitatea in functie de grosimea straturilor pe care le strabat. Intensitatea radiatiilor la iesirea dintr-un strat analizat este:

unde I₀ este intensitatea la intrarea in strat, m - un coeficient de absortie specific substantei strabatute, r - densitatea acesteia, iar x - grosimea stratului strabatut.

Masurarea intensitatii radiatiilor se face, de obicei, cu ajutorul camerelor de ionizare, CI.

Capitolul II

SCHEMA BLOC A SISTEMULUI PENTRU

MASURAREA NIVELULUI. FUNCTIONARE.

Schema bloc a unui sistem pentru masurat nivelului prezentata in figura 4, se compune din:

traductor de nivel(TN);

convertor analog/numeric (C A/N);

dispozitiv de afisare zecimala (DAZ).

Functionarea sistemului:

Nivelul HI[0..50]cm este convertit de traductorul TN, intr-o tensiune UI[0.5]V. In figura 5 este prezentata caracteristica U=f(H), intre U si H existand o dependenta liniara descrisa de relatia .

Convertorul analog/numeric C A/N realizeaza conversia tensiunii U intr-un cod binar pe 8 biti. Aceasta conversie este descrisa de relatia:

Numarul zecimal N corespunzator codului binar citit este partea intreaga a numarului n.

Pentru exemplificare, in tabelul de mai jos sunt date valorile lui n si N, pentru anumite valori ale lui U.

Dispozitivul de afisare zecimala DAZ are doua roluri:

Citeste si interpreteaza codul binar citit;

Afiseaza debitul masurat.

Interpretarea codului binar citit se face pe baza relatiei:

In tabelul de mai jos sunt date valorile lui H, U, N si H_masurat, pentru nr=11 valori ale lui Q.

In functie de valorile din tabelul de mai sus se calculeaza abaterea medie:

Capitolul III

PROIECTAREA BLOCURILOR COMPONENTE

III.1. Alegerea traductorului.

Se alege un traductor de nivel ce se bazeaza pe masurarea nivelului cu plutitor .

Caracteristicile traductorului de nivel:

domeniu: 0.50cm;

iesire: 0.5V c.c.;

alimentare: 12V.

III.2. Proiectarea convertorului analog/numeric.

Vom folosi un convertor analog/numeric de 8 biti, cu 4 intrari multiplexate. Aceste intrari pot fi configurate pentru urmatoarele moduri de operare:

cu citirea unei singure intrari (masoara tensiunea intre intrare si masa);

cu citire diferentiala (masoara tensiunea intre doua intrari).

Convertorul realizeaza conversia tensiunii de intrare corespunzatoare uneia din cele doua moduri de operare, intr-un numar binar de 8 biti, intrarile citite fiind programate de utilizator.

Functionarea schemei

Circuitul ADC0844 este un convertor analog/numeric CMOS cu aproximatii succesive, de 8 biti, cu intrari analogice multiplexate. El contine un clock intern si o unitate de control logic care in functie de comanda primita: de citire (pe pinul ) sau de scriere (pe pinul ), genereaza codul binar corespunzator tensiunii convertite la pinii D0 D7 spre a fi citit, respectiv trece in inalta impedanta iesirile binare si citeste de la pinii MA0 MA3 codul setat de utilizator, cod care realizeaza comanda multiplexorului de la intrarea circuitului integrat.

Timpul de conversie stabilit de ceasul intern este de 40ms.

In timpul comenzii de scriere, circuitul 74LS244 (care contine 8 separatoare -buffere - neinversoare cu iesiri 3-STATE) realizeaza citirea codului binar corespunzator celor 4 comutatoare MA0 MA3, cod pe care in genereaza intrarilor MA0 MA3 ale C.I. ADC0844. Acest cod este indicat de ledurile L9 L12.

In timpul comenzii de citire, circuitul ADC0844 genereaza la iesirile D0 D7 codul binar corespunzator tensiunii convertite, cod care este citit de circuitul 74LS374A (circuit care contine 8 bistabili tip LATCH-D cu iesiri 3-STATE) si afisat de LED-urile L1 L8.

Comenzile de citire si de scriere sunt obtinute din semnalul generat de C.I. ADC0844 la pinul , semnal corespunzator sfarsitului conversiei.

Poarta P3 impreuna cu componentele pasive aferente alcatuiesc un monostabil (un circuit de intarziere) care formeaza impulsul de scriere, intarziindu-l fata de impulsul de citire cu un timp necesar, astfel incat C.I. 74LS374A sa memoreze codul binar de 8 biti, dupa care acest semnal, comanda scrierea codului de 4 biti in LATCH-ul intern din ADC0844.

Pentru cazul unei singure intrari (citire fata de masa) se verifica relatia:

unde:

N este numarul zecimal corespunzator codului binar citit;

V_REF. este tensiunea de referinta (+5V);

V_i este tensiunea de intrare.

In cazul cand citirea se face diferential (intre doua intrari) se verifica relatia:

unde:

N este numarul zecimal corespunzator codului binar citit;

V_d=V_i-V_j este diferenta dintre tensiunile corespunzatoare celor doua intrari;

V_REF. este tensiunea de referinta (+5V);

Codul rezultat nu depinde tensiunile dintre intrari si masa, ci numai de diferenta celor doua tensiuni.

Exemplu: Aplicand pe intrari , vom obtine acelasi cod binar si anume: 0110 0110.

Comutatoarele MA0 MA3, se seteaza corespunzator unora din codurile aflate in tabelul de mai jos, tabel ce caracterizeaza functia de multiplexare a convertorului analog/numeric.

Circuitul integrat MMC4508 contine doua latch-uri identice pe 4 biti cu pinii STROBE, RESET si separate.

Cu linia STROBE in starea high datele de pe intrarile D sunt in corespondenta cu iesirile Q cu conditia ca linia DISABLE sa fie in starea low. Schimband linia STROBE in starea low, datele sunt blocate in latch. Un high pe RESET forteaza iesirile la un nivel low in ceea ce priveste starea intrarilor STROBE. Iesirile sunt fortate la o stare de impedanta inalta pentru aplicatiile de pe magistrala de catre iesirile DISABLE la un nivel high.

Caracteristici:

2 latch-uri independente de 4 biti;

iesiri cu 3 stari;

viteze medii: T_plh=T_pll=70ns la V_dd=10V si C_l=50pF.

Tabela de adevar pentru functionarea circuitului MMC4508 este urmatoarea:

Capitolul IV

INTERFATA GRAFICA PENTRU

AFISAREA NIVELULUI

Dispozitivul de afisare utilizat pentru acest sistem este un Personal Computer, care realizeaza schimbul de informatii cu sistemul de masurare a nivelului prin portul paralel (LPT1, LPT2 sau LPT3).

Pentru realizarea interfetei grafice vom utiliza limbajul de programare Borland C++.

Informatia primita de la sistemul de masurare este citita pe urmatoarele intrari ale portului paralel: Busy, , Paper Empty si Select, iar semnalele de selectie sunt transmise pe urmatoarele iesiri ale portului paralel: Data1 si Data2.

In cadrul programului este prezentat si un grafic care ne arata variatia nivelului in timp.

Programul pentru afisarea marimii masurate este urmatorul:

#include 'conio.h'

#include 'stdio.h'

#include 'graphics.h'

#include 'stdlib.h'

#include 'dos.h'

#include 'math.h'

#define DATA 0x0378 /* Adresa portului paralel LPT1 */

#define STATUS DATA+1 /* Pentru portul LPT2 adresa este 0x278 */

#define XORINPUT 0x47 /* Pentru portul LPT3 adresa este 0x3bc */

/* Trasarea axelor */

void sistaxe(void)

/* Desenarea interfetei */

void plansa(int x, int y)

/* Afisarea timpului scurs de la lansarea programului */

void afis_timp(int ora, int minut, int secunda)

/* Afisarea nivelului */

void scrie_nivel(float nivel)

void main()

setlinestyle(0,0,3); setcolor(YELLOW);

line(x_anterior, y_anterior, x_curent, y_curent);

setlinestyle(0,0,1); delay(100);

/* Citeste ora curenta si afiseaza timpul scurs de la lansarea programului */

gettime(&timp);

if(sec_crt!=timp.ti_sec)

}

afis_timp(ora, minut, secunda);

}

/* Se verifica daca a fost apasata o tasta */

if(kbhit())

}while(!iesire_program);

closegraph();

BIBLIOGRAFIE

Ø     Stelian Dumitrescu, Mihai Tertisco, Vasile Marinoiu, Nicolae Spranceana, Dumitru Popescu, Corneliu Popeea, Vasile Cartoaje, Nicolae Paraschiv, Marius Epure - "Aparate de masurat si automatizari in petrol si petrochimie" - Editura didactica si pedagogica, Bucuresti, 1983.

Ø     Ing. Gh. Ianculescu, Ing. Th. Nicolau, Ing. I. Jakab, Ing. F. Cosmita, Ing. Al. Popescu, Ing. A. Zaharescu, Ing. C. Negoita - "Masurari electronice in industrie" - Editura Tehnica, Bucuresti, 1964.

Ø     Nicolae Dragulanescu - "Agenda radioelectronistului", Editia a II-a - Editura Tehnica, Bucuresti, 1989.