Кондуктометрический метод управления

Введение

Жизнь современного человека всесторонне зависима от технологий. Различные инновации в мире технологий направленны на улучшение и упрощение нашей жизнедеятельности. Эти улучшения используются во всех сферах деятельности человека, начиная от персональных компьютеров или кухонных приборов, заканчивая промышленными станками или нефтедобывающими аппаратами.

В инновациях нуждается и такая, казалось бы, далекая от техники сфера как сельское хозяйство. Времена, когда весь труд совершался крестьянами, давно прошли. Сегодня выращивание растительных культур и животных невозможно представить без различной транспортной техники (тракторы, комбайны), без средств для улучшения ухода за скотом (инкубаторы, аппараты кормления). Одним из самых важных аспектов в выращивании сельскохозяйственных культур является полив. Благодаря развитию техники в большинстве случаев это осуществляется с помощью насосов.

Но в связи с использованием насосов возникла новая проблема: необходимость постоянно контролировать уровень воды в колодце или скважине, так как отсутствие воды, а следовательно попадание воздуха в насосный аппарат, приведет к его поломке.

Для многих мелких фермеров, особенно в засушливых регионах таких, как АР Крым и южные регионы материковой Украины это проблема стоит особенно остро, так как уровень воды в колодце с достаточного до критического примерно за несколько минут выкачки воды. Поэтому приходится постоянно следить за уровнем воды в источнике и вовремя отключать насос, что, разумеется, отвлекает от другой работы.

Решением этой проблемы является автоматическая система управления насоса, которая самостоятельно будет отслеживать уровень воды и отключать прибор, в случаи падения до минимальной допустимой нормы.

В своей курсовой работе я буду заниматься анализом возможных вариантов таких устройств и разработкой своей собственной системы управления.

Для этого, для начала, нужно проанализировать различные методы измерения уровня жидкости, исходя из этого определить наиболее подходящую методику для измерения уровня воды в колодце.

Классификация методов измерения уровня жидкости

Классификация методов:

1. поплавковый,

2. кондуктометрический,

3. оптический,

4. индуктивный,

5. ультразвуковой.

Рассмотрим подробнее данные методы и примеры некоторых устройств, основанных на этом методе.

Поплаковый метод

Примером устройства, основанного на данном методе, является электрический поплавковый выключатель

Принцип работы:

В корпусе поплавка находится металлический шар, перемещающийся по каналу. В крайнем положении шар воздействует на электрический выключатель, включая или отключая его. Положение шара зависит от положения поплавка.

Когда поплавок всплывает, шар перемещается в одно крайнее положения, при опускании поплавка вниз, шар перемещается в противоположное положение.

К поплавку подходит герметично смонтированный электрический кабель. В зависимости от его подключения к переключателю поплавка, выключатель может иметь три исполнения: работа на опорожнение, работа на наполнение и универсальный вариант, который в зависимости от электрического подключения может работать, как на наполнение, так и на опорожнение. Такие выключатели имеют дополнительный провод.

Как правило, поплавковые выключатели оснащены грузом, который крепится на электрическом кабеле и может по нему перемещаться. Путем перемещения груза по кабелю и регулируя глубину погружения груза, можно настроить поплавковый выключатель на определенный уровень включения и отключения.

Характеристики:

1. Напряжение коммутации – 220…240 В ~ 50Гц.

2. Максимальный рабочий / пусковой ток - 10А / 18А.

3. Максимальная глубина погружения – не более 0,7м.

4. Диапазон температуры воды – (+1 … +40) °С.

Недостатки:

1. Низкая надежность срабатывания.

2. Низкая точность управления уровнем.

3. Прогорания контактов переключателя поплавка.

Кондуктометрический метод управления

Существует значительно более надежный метод контроля и управления за уровнем жидкости - это кондуктометрический метод. Подходит только для токопроводящих жидкостей. Принцип основан на том, что в жидкость погружаются электроды, между которыми протекает малый ток с небольшим напряжением. Специальный контроллер, таким образом с абсолютной точностью отслеживает уровень жидкости. Метод обладает высокой надежность, точностью регулирования и более гибки режим, т.к. можно произвольно выставить уровни.

Приведем пример: существует скважина с низким дебитом, соответственно скважинный насос требуется защитить от работы без воды максимально надежно и обеспечить его комфортную работу. Только кондуктометрическим способом мы можем обеспечить правильный режим эксплуатации насоса и высокую надежность срабатывания.

Мы можем задать режим, при котором насос будет отключаться при недопустимом уровне жидкости, а включаться только при полном восстановлении уровня воды в скважине. Это позволит не только защитить насос, но и обеспечить редкий запуск насоса. В противном случае его ресурс сильно сократится, т.к. небольшой подъем воды включит насос, который в считанные секунды эту воду выкачает и вновь отключится. И так короткими циклами. Это и некомфортно и быстро выведет насос из строя.
Контроллер - универсальное коммутирующее изделие, которому можно найти массу применений и расширить функционал. Например, вы хотите знать о аварийной ситуации - подключаем модульный зуммер или лампу, которая будет сигнализировать о неисправности. Подключив краны с сервоприводом, легко построить систему защиты от протечки воды. И многое другое.

В качестве электродов для кондуктометрической системы подойдет любой токопроводящий металлический предмет. Но так, как многие материалы окисляются и ржавеют, то рекомендуется в качестве электродов использовать элементы из латуни и нержавеющей стали. В качестве общего (нижнего) электрода, так же можно использовать корпус контролируемой емкости, если она металлическая. При автоматизации погружного насоса в качестве общего электрода может выступать корпус самого насоса, тогда просто подключаем клемму общего электрода на контакт земли кабеля насоса.

Рассмотрим пример данного метода:

Рисунок 1.2.1 - Схема устройства кондуктометрического метода

Включение – выключение насоса производится нормально-замкнутым контактом реле K1.1. Переключателем S2 выбирается режим работы (Водоподъем – Дренаж). На схеме переключатель находится в положении «Водоподъем». Уровень воды в резервуаре контролируется датчиками F1 и F2. Конструкция датчиков и самой схемы такова, что корпус резервуара ни с чем не соединен, поэтому электрохимическая коррозия резервуара полностью исключена. При включении питания выключателем S1, если уровень воды ниже датчика F1 катушка реле K1 обесточена, поэтому насос запустится через нормально-замкнутые контакты реле K1.1. Когда вода поднимется до датчика верхнего уровня F1, откроется транзистор VT1, который включит реле K1. Его нормально-замкнутые контакты K1.1 разомкнутся и насос остановится.

Одновременно с этим замкнутся контакты реле K1.2, которые подключат электрод нижнего уровня F2 к базе транзистора VT1. Поэтому при убывании уровня воды ниже датчика F1 отключения реле не происходит (напомним, что запуск насоса осуществляется при отпущенном реле K1), так как транзистор открыт током базы по цепочке R2, K1.2 F2 и реле K1 удерживается в включенном состоянии. Поэтому насос не запускается.

Когда уровень воды опустится ниже электрода F2, ток базы прервется, и транзистор VT1 закроется и выключит реле K1, нормально-замкнутые контакты которого запустят насос. Далее цикл повторится снова. Если переключатель S2 установить в правое по схеме положение, то насос будет работать в дренажном режиме. При этом следует учесть такое обстоятельство: если это насос погружного типа, во избежание сухого хода его заборная часть должна находиться ниже датчика нижнего уровня F2.

Недостатки:

1.Невозможность реализации на больших глубинах (затратность на материалы).

2.Влияние внешних факторов на проводимость вещества.

Оптический метод

Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

Рисунок 1.3.1-Принцип работы оптического датчика расстояния

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1 мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, чтобы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 секунд.

Примером устройства, основанного на данном методе, является лазерный дальномер.

Принцип работы: сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта. Используется следующее соотношение:

L=ct\2 (1.3.1)

L-расстояние до объекта,

c-скорость распространения излучения

t-время прохождения импульса до цели и обратно

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно.

Рисунок 1.3.2-Принцип работы лазерного дальномера

Недостатки:

1.Очень высокая стоимость

2.Требуется дорогая вычислительная техника для обработки сигнала

3.Необходимость наличия на поверхности воды непрозрачного предмета, для отражения импульса.

4.Высокая точность возможна на относительно небольших расстояниях.

Индуктивный метод

Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:

Расстояние= a + b (Iвых)+ c (Iвых)2+ d (Iвых)3+ e (Iвых)4 (1.4.1)
Измеряемое расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (Iвых) (1.4.2)

Тем самым, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА.
Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Недостатки:

1.Очень малое измеряемое расстояние, до двух сантиметров, что делает невозможным использование данных датчиков для решения поставленной задачи.

2.Расстояние необходимо определять до проводящего металлического объекта, а вода таковым не является.

Ультразвуковой метод

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Примером устройства, основанного на данном методе, является ультразвуковой дальномер.

Принцип работы:

Ультразвуковой дальномер определяет расстояние до объектов точно так же, как это делают дельфины или летучие мыши. Он генерирует звуковые импульсы на частоте 40 кГц и слушает эхо. По времени распространения звуковой волны туда и обратно можно однозначно определить расстояние до объекта.

В отличие от инфракрасных дальномеров, на показания ультразвукового дальномера не влияют засветки от солнца или цвет объекта. Но могут возникнуть трудности с определением расстояния до пушистых или очень тонких предметов

Вывод: исходя из проведенного анализа различных методов измерения уровня жидкости, установили, что в случаи, данном в ТЗ, лучше всего подходит ультразвуковой метод так, как:

1.Данный метод подходит для замирений расстояния в несколько метров (до 10 м), в данном случаи необходимо 3-4 метра.

2.Необходим достаточно быстрым временем отклика, так как задержка может стать причиной поломки насоса.

3.Стоимость устройства должна быть не очень высокой, так как разрабатывается преимущественно для людей с средним уровнем дохода.

4.Нет необходимости в наличии на поверхности воды постороннего предмета.