Устройство для измерения уровня жидкости

Химически позитивный.Таблица 6.2 – Последовательность операций в химически негативном и химически позитивном методах изготовления печатных платВыбор материала основания ППДля химически негативного метода изготовления по ГОСТ 10316-78 применяются материалы основания ГФ1-35Г, СФ1-35Г, СТФ, СОНФМ, СТНФ.Таблица 6.3 – Материалы основания ППДля изготовления ОПП предпочтение отдается СТФ, так как использование этого материала значительно уменьшает толщину ПП.Подготовку поверхностей к проведению технологических операций осуществляют на многих этапах процесса производства ПП.6.3 Проектирование печатной платы устройства в САПР P-CADРазобьём процесс работы с САПР P-CAD на последовательность из следующих действий:1. Создание библиотеки используемых элементов РЭА;6. Ввод принципиальной электрической схемы;3. Подготовка схемы к проектированию ПП;6. Размещение элементов РЭА по полю конструктива;6. Автоматизированная трассировка соединений ПП.В данном случае используемая библиотека содержит необходимые элементы, используемые при проектировании РЭА.На рисунке 6.1 представлен процесс ввода принципиальной электрической схемы в программе Schematic.Рисунок 6.1 – Ввод схемы электрической-принципиальной в программе SchematicНа рисунке 6.2 представлено окно параметров элемента (PartProperties) резистора R6.Рисунок 6.2 – Окно параметров элемента (PartProperties)Для элемента могут быть указаны следующие параметры:Порядковый номер и тип(RefDes) – R5;Номинал (Value) – 1.2 кОм;Тип элемента (Type) – резистор С2-33H-0,125;Используемая библиотека элементов (Library);Далее необходимо перенести данные из программы Shematic в программу PCB, которая позволит провести размещение элементов и трассировку ПП. Выполнить это можно с помощью команды Utils – GenerateNetList (Рисунок 6.4)Рисунок 6.3 – Создание списка соединенийПосле размещения ЭРЭ приступаем к трассировке, т.е. к прокладке необходимых линий соединений (проводников) между контактными площадками. Рассмотрим данный процесс более подробно.Трассировку печатной платы можно выполнить вручную и с помощью автотрассировщика. Для ручной трассировки в системе PCAD предлагаются инструменты, которые условно можно разделить на три группы:- инструменты для ручной трассировки- инструменты интерактивной трассировки- специальные инструментыКогда работа с автотрассировщиком полностью завершена, необходимо вернуться в программу PCB, для этого выполнить: FileSaveandReturn. Все результаты трассировки средствами программы PCADShapeRoute будут перенесены в программу PCB, в которой можно продолжить работу над проектом, в частности воспользоваться любыми приёмами корректировки. [2]В данном проекте при разработке топологии печатной платы технологический контроль помог обнаружить: узкие места и нарушения установленных зазоров. Коррекция топологии была произведена, ошибки исправлены.6.2 Расчёт надёжностиИнтенсивности отказов элементов зависят от электрической нагрузки, температуры окружающей среды и других факторов, учитываемых с помощью поправочных коэффициентов.Интенсивность отказов элементов i-го типа определяется по формуле:, (6.2)где λ0 i – интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации, 1/ч;αi – коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента;k1 – коэффициент, учитывающий влияние механических факторов (вид проектируемого устройства – наземный стационарный, следовательно, принимаем k1 равное 1,07); k2 – коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов (система будет эксплуатироваться при влажности окружающей среды 60 - 70 % и температуре 20 - 40 °С, следовательно, k2 равен 1);k3 – коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления (система будет эксплуатироваться в наземном помещении, следовательно,k3 равен 1).Характеристики надёжности элементов, их среднее время восстановления и количество указаны в таблице 2.Принимая во внимание значения для поправочных коэффициентовk1,k2,k3, приводим формулу (2) к виду:. (6.3)Интенсивность отказов устройства в целом Λ, (1/ч) определяется по формуле:, (6.4)где mi – количество элементов i-го типа;λi – интенсивность отказов.Таблица 6.2 – Характеристики надёжности элементовТип элементаЧисло элементов m, шт.КоэффициентнагрузкиИнтенсивность отказов, λ0 i∙10–6, 1/чαiλ0 i∙10–6, * αi1/чλi∙10–61/чМикросхемы60,20,50,350,1750,1605Диоды70,20,20,770,1540,1648Конденсаторыкерамические150,20,070,280,020,0214Конденсаторыэлектролитические80,20,50,280,140,1498Резисторы140,20,020,20,0040,0043Кварцевыйрезонатор10,20,510,50,535Диодныймост10,20,60,770,4620,4943Стабилизатор10,20,510,50,535Разъемы90,20,2510,250,2675Пайка2650,20,0110,010,0107Подставляя известные данные получаем:Λ=(1/ч)Вероятность безотказной работы устройства P определяется по формуле:, (6.5)где t – время, определяющее безотказность работы устройства, ч.Значение t выбирается из стандартного ряда: 1000 ч, 2000 ч, 4000 ч, 8000 ч, 16000 ч. Пусть время безотказности работы t равно 8000 ч, тогда:Р(t) = .Условие безотказной работы выполняется т.к. P(t) не менее 0,8 [6].ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения курсовой работы было разработано устройство для измерения уровня жидкости УЗ методом Измерение уровня жидкости позволяет контролировать протекание различных технологических процессов на производстве, возможные ошибки в работе системы измерения уровня жидкостисреды. Подробно рассмотрен метод УЗ измерения уровня жидкости, присущие ему достоинства и недостатки, а также оценка погрешности данного метода и его зависимости от изменения параметров измеряемых сред.С помощью акустических колебаний ультразвуковой частоты может производится как очистка изделий в различных производствах, обработки твердых и хрупких материалов, трудно обрабатываемых другими способами, так и сварка металлов, пластмасс и различных синтетических материалов, ультразвуковая пайка и лужение материалов с окисными пленками и керамики. Одной из важнейших сфер применения ультразвука являются измерительные технологии.Ультразвуковые уровнемеры успешно применяются в различных отраслях промышленности и используются для измерения уровня жидкости. В настоящее время они востребованы на рынке, поэтому постоянно идет исследование методов и средств повышения технических характеристик данных устройств. С развитием техники методы приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.Ультразвуковые уровнемеры, являющиеся технической реализацией акустического метода, все шире используются в различных областях, что связано с их достоинствами, к которым относятся:- отсутствие движущихся элементов на первичном преобразователе;- высокое быстродействие, что позволяет измерять резкие перепады уровней;Повышение точности и обеспечение единства измеренийотносится к числу актуальных задач метрологии. Практическая значимость работы заключается в разработке устройства При разработке устройства были использованы как современная элементная база, так и последние достижения цифровой схемотехники. Это позволило реализовать небольшое и многофункциональное устройство.От аналогичных устройств разработанные проект отличается простотой конструкции, надежностью предлагаемых решений, а также алгоритмами работы, позволяющими эффективно отсеивать различные помехи.ЛитератураБелоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационный устройства. М.: Советское радио, 1975.Цветков В.В., Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: Радиоразведка и радиопротиводействие. Москва: Издательство МАИ, 1998.Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Москва, Горячая линия - Телеком.Справочник по радиоконтролю международного союза электросвязи. МСЭ-R Женева, 2002 г.Терентьев А.В и др. «Способ и устройство определения координат источника радиоизлучения», заявка на изобретение от 01.31.2005 №2005102257.Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров.: Пер. с нем.– Киев.: «МК-Пресс», 2006. – 208с.; ил.Кравченко А.В. 10 устройств на AVR микроконтроллерах Книга 1 – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008.–224с.; Ил.Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование: Под ред. У. Кестера М.: Техносфера, 2007. 1016 с.; ил.Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналогово-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 – М. ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. –М.: Недра, 1987. – 221 с. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 432 с.: ил.Хартов В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 240 с.: ил.Белов А. В. Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до профи. Книга. — СПб.: Наука и ТехникаПриложение 1П.1 Математическая модель УЗ средства измеренияПринцип действия ультразвукового уровнемера основан на облучении контролируемой поверхности ультразвуковыми волнами и приеме отраженного сигнала. Наиболее естественным представляется импульсный метод, заключающийся в измерении времени запаздывания принятого импульса относительно излученного[1].На мировом рынке наиболее известны такие производители ультразвуковых дальномеров: линейка дальномеров Sitrans производства Siemens, а также уровнемеры производства Krohne. Стоимость подобных систем достаточно высока. По этой причине они используются преимущественно в экономически благополучной нефтехимической отрасли. Именно поэтому активно развиваются различные ультразвуковые методы измерения уровня жидкости и уровня жидкостисреды в резервуарах в частности [1, 5, 9].Принимая во внимание тенденции развития современной измерительной техники, в данной работе рассмотрим цифровой УЗ дальномер, т.е. результат измерения программно рассчитывается по числу импульсов стабильной частоты . Без учета погрешности квантования уравнение для измерения уровня жидкости имеет вид(П1.1)где - измеряемое расстояние; - скорость распространения ультразвука при идеальных условиях; - погрешность изменения скорости ультразвука; - дрейфовая составляющая погрешности, выраженная в единицахизмеряемого уровня жидкости; - период следования квантующих импульсов.Рассмотрим метод, предусматривающий применение эталонной «добавки» к измеряемому расстоянию[6]. Наряду с данными о самом измеряемом расстоянии это позволяет исключить аддитивную погрешность результата измерения, вызванную инерционностью приемника и излучателя ультразвуковых волн, а также неоднородностью параметров среды измерения. Анализ литературы показал, что это, фактически, является аддитивным тестом из теории тестовых методов [10].Преимуществом тестовых методов являются то, что точность результата измерений зависит только от точности тестовых воздействий и стабильности функции преобразования и погрешностей измерительного прибора при проведении тестов[10]. Согласно теории тестовых методов необходимо узнать отклик системы на аддитивный и мультипликативным тест, а затем по отношению разностей определяется значение измеряемой величины. Проведение тестов предполагает пространственную или временную избыточность. Предпочтительным является первый вариант, поскольку при временном разделении тестов составляющие дрейфовой погрешности могут поменять свои значения. На практике это может быть реализовано либо увеличением числа измерения, либо введением дополнительных излучателей.Рассмотрим математическую модель ультразвуковогоуровнемера можно представить как последовательное соединение нескольких преобразователей (рисунок П1.1). Преобразователь СР осуществляет преобразование измеряемого уровня жидкости во временной интервал . Его коэффициент преобразования обратен скорости распространения ультразвука в среде.Второй преобразователь временной интервал преобразует в интервал . Физический смысл данной операцииследующий: временной интервал отсчитывается от начала излучения ультразвукового сигнала до регистрации момента его прихода на приемник. Момент поступления на приемник фиксируется по превышению порогового значения U порог пороговогоэлемента (ПЭ). В силу потери мощности ультразвукового сигнала [8] на выходе этого преобразователя появляется дрейфовая составляющая погрешности .[5]Рисунок П1.1 – Обобщенная модель УЗ уровнемераКвантователь времени КВ преобразует интервал времени в количество импульсов , коэффициент преобразования определяется периодом следования квантующих импульсов .Поскольку преобразователь КВ цифровой, то точность его работы довольно высока и, по сравнению с СР и ПЭ он не вносит аддитивной погрешности в результат измерений. При условии высокой стабильности опорной частотымультипликативная погрешность также будет отсутствовать. Изменение периода следования квантующих импульсов может быть использовано для выполнения мультипликативного теста.[8]Система уравнений, реализующая применение тестовых методов приведена ниже: Разности откликов на тестовые воздействия:(П1.2)(П1.3)Выразив результат измерения через отношение откликов получим выражение: (П1.4)Членв основном определяется величиной аддитивной погрешности, носит аддитивный характер с дрейфовой составляющей.[6]Результат измерения, рассчитанный без использования тестовых методов имеет вид:(П1.5)Очевидно, чторезультат измерения (П1.4) по сравнению с (П1.5) зависит от составляющихпогрешностей в меньшей степени, фактически, уходит мультипликативная составляющая погрешности.Таким образом, измеренное значения уровня жидкости с применением тестовых методов будет иметь вид(П1.6)Выше рассмотрен подход к рассмотрению структуры ультразвукового уровнемера, позволивший реализовать тестовые методы повышения точности. Применение тестовых методов при измерении уровня жидкости ультразвуковым метолом позволяет значительно повысить точность результата измерения[7]. Таким образом, применение данного метода на практике позволяет исключить из результатов измерения погрешности с дрейфовой составляющей, которые для УЗ дальномеров в большей степени обусловлены изменением параметров среды и звуковой волны соответственно.П.2 Погрешности измерения уровня жидкости средыВ ультразвуковых уровнемерах используется метод локации ультразвукового импульса, т. е. определения времени его распространения до объекта.[1,3]В уровнемерах, работающих по принципу локации возможно использование пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей, которые при малой электрической мощности генератора дают возможность работать с малыми коэффициентами усиления, что обеспечивает малый уровень помех. Однако недостатком таких дальномеров является то, что их показания сильно зависит от свойств среды (от возможных изменений ее состава и уровня жидкости), приводящих к изменению скорости распространения ультразвука, т.е. к ошибкам в измерениях уровня жидкости. В этих случаях необходимо вводить схемы компенсации с использованием «реперных» датчиков (с фиксированным расстоянием от излучателя до отражателя).[7] Кроме того, существует ряд случаев, когда применение таких дальномеров невозможно.[8]Метод локации через газ избавлен от большинства вышеприведенных недостатков, но в то же время в этом случае сильно затруднено создание эффективных (с высоким коэффициентом полезного действия) акустических преобразователей, так как при излучении ультразвуковых колебаний из твердых материалов (из которых изготавливаются преобразователи) в газ ввиду существенной разницы между акустическими сопротивлениями этих сред происходит значительная потеря энергии на отражение. Это требует большого усиления эхо—сигнала, что усложняет конструкцию прибора.[6,10] Кроме того, при локации через газ существенное влияние оказывает (на низких частотах) дифракционное расхождение, приводящее к значительному ослаблению принимаемого звукового сигнала при больших уровня жидкостих[1,3].Иногда для исключения этих потерь используют излучение в трубу, которая одновременно является также и успокоителем уровня жидкости колеблющейся среды.Для излучения в газ могут быть применены преобразователи: электростатические, камертонного типа (резонансные полуволновые вибраторы, возбуждаемые электродинамическим или пьезоэлектрическим способом) и пьезоэлектрические. Во всех этих случаях для исключения большого поглощения звука в воздухе применяются частоты в диапазоне 30—60 кГц.Наличие стоячих волн в пространстве между излучателем и приемником ультразвука в двухщуповых датчиках приводит к следующим явлениям. Во-первых, вследствие резонансных свойств среды между преобразователями происходит искажение частотной характеристики проходящего между ними сигнала, т. е. при различных базах изменяется добротность столба среды, что может привести к ослаблению сигнала. Во-вторых, из-за многократных отражений (реверберации) от поверхностей излучающего и приемного преобразователей возможно усиление прямого сигнала, поскольку амплитуда колебаний и звуковое давление стоячей ультразвуковой волны в два раза больше, чем бегущей.Известно, что для любого газа основным фактором изменения скорости звука, а следовательно, увеличением погрешности дальномеров, работающих на физических свойствах ультразвука, служит изменение уровня жидкости газа. В области уровня жидкости 0 °С (или 273 K) относительное изменение скорости звука в нем составляет +1/546 на каждый градус или +0,183%-град-1 [4].