毕业设计(论文)气柜检测仪设计.doc
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1、第一章绪论第一节 引言煤气供应站的大型煤气贮柜(简称气柜)的气位高度和贮量检测前,国内使用最原始的目测法,干式柜柜顶的线位移用纯机械的方法转换为角位移,然后用钟式指针显示气位高度,而湿式柜是往复式旋转升降,用柜上事先标示的彩色线条目测其高度,值班人员再将目测结果用专用电话通报到煤气公司的总调度室。调度室根据各站点的数据进行气量的配送,由于检测手段的落后,不仅检测误差大,而且经常发生因气侯和值班员的责任心不强,造成生产和供气事故。近几年,国内各大城市的煤气公司虽然也试用了一些自动检测装置,但因气柜检测技术要求的特殊性均未能达到现场运行的要求,气柜检测的要求是:1、工作现场属易燃易爆场合,检测仪表
2、必需是本安或隔爆式;2、能适应一年四季全天气侯条件的运行;3、干式柜和湿式柜均适应:4、传感器结构简单于现场安装且运行可靠,并能达到较高精度。 由是可以看出,煤气气柜检测仪表的研制关键在易燃易爆场合而又有较高测量精度的位高传感器和信息处理系统;二是电路设计是充分考虑防爆的要求。 电位器式位移传感器广泛应用于线位移及角位移测量,如液位,料位,气位等。然而当今电位器的精度量高为百分这几。这在小位移测量中已能满足要求,但在大位移测量中所产生的误前差却是难以接受的,面进一步提高传感的精度将会给制造工艺带来麻烦。在文献一中,提出了双电位器的精度式传感器扔技术,文中提出的双电位器式传感受器给大位移测量拔术
3、带煤气供应站的大型煤气贮柜(简称气柜)的气位高度和贮量检测前,国内使用最原始的目测法,干式柜柜顶的线位移用纯机械的方法转换为角位移,然后用钟式指针显示气位高度,而湿式柜是往复式旋转升降,用柜上事先标示的彩色线条目测其高度,值班人员再将目测结果用专用电话通报到煤气公司的总调度室。调度室根据各站点的数据进行气量的配送,由于检测手段的落后,不仅检测误差大,而且经常发生因气侯和值班员的责任心不强,造成生产和供气事故。近几年,国内各大城市的煤气公司虽然也试用了一些自动检测装置,但因气柜检测技术要求的特殊性均未能达到现场运行的要求,气柜检测的要求是:1、工作现场属易燃易爆场合,检测仪表必需是本安或隔爆式;
4、2、能适应一年四季全天气侯条件的运行;3、干式柜和湿式柜均适应:4、传感器结构简单于现场安装且运行可靠,并能达到较高精度。 由是可以看出,煤气气柜检测仪表的研制关键在易燃易爆场合而又有较高测量精度的位高传感器和信息处理系统;二是电路设计是充分考虑防爆的要求。 电位器式位移传感器广泛应用于线位移及角位移测量,如液位,料位,气位等。然而当今电位器的精度量高为百分这几。这在小位移测量中已能满足要求,但在大位移测量中所产来突破,并获得国家实用新型专利运该双电位器式位移传感器,王惠秋老师曾在1997年研制出一种“煤气高度贮量检测仪表”,经过两年多的试运行,发现存在以下问题:1、测得的高度在两电位器的“不
5、同步度”(详见本论文第二章)周围环境干扰稍大时,就很容易发生“越区“现象,产生很大误差,给出错误提示。2、在电路和变压器的设计上,未考虑防爆问题。3、电路不够简单;这些严重影响了该问题的推广应用,针对以是问题本论文主要对该仪表进行改进,研制出WWZ2型物位贮量显示仪。其优势主要体现在以下方面:1、针对双电位移传感器影响了该仪表的推广作用,本论文在不改变传感受器结构的前题下,提出一种实现起来更为简单的判区算法,软件的方法去除了粗、精电位器的“不同步度”及大干扰的影响,从而采用防止越区事件的发生,同时采用效的滤波方法,进一步提高了测量的精度。2、在变压器设计上,按照国家防爆电气设备标准充分考虑防爆
6、孤要求,采用隔离等办法达到了煤气简测的防爆标准。3、在电路设计上,采用先进的集成度和精度均较高的芯片简化电路结构,同时考虑防爆要求,在现场信号采集和信号处理部分采用光电隔离,不公使系统硬件电路大为简化,提高了精度,同时又能达到防爆要求。实验证明,该仪表结构简单,传感器安全方便,性能安全可靠,对周围环境条件要求不很严格,测量精度高,值班员可以在仪表室监视气柜的高度,贮量仪表本身也可以通过专用电话线或无线数传机向煤气总站伟传送相关数据,可实现生产调度的自动化和信息化。该仪表的研制填补了国内在煤气气柜检测方面的一项空白。将对我国煤气生产,供应,管理,安全等方面具有深远意义。第二节 总体功能及技术指标
7、一、整机功能本气柜检测仪表具有如下功能:1、直柜和旋转柜的高度检测和显示;2、直柜和旋转煤气贮量检测和显示;3、气柜高度和贮量超限报警;4、双电位器传感器的粗、精电位器阴值的实时显示;5、高度值或贮量转换成4-20ma电流值输出;6、将检测到的气柜信息通过串行口有线发送给中心主机(即总站);7、根据量和范围,可通过软件选择合适分辨率(mm或cm);8、具有以下设定功能:1) 通过按键对上、下限报警高度值设定;2) 通过按键对粗、精电位器阻值调满;3) 总站主机通过通信线路对上、下报警值设定;4) 总站主机通过通信线路对粗、精电位器调满;5) 按键设定正常显示内容,包括高度、贮量,粗电位器和精电
8、位器的实时数据。二、主要技术参数1)测量范围:065m;2)分辨率:根据量程,可为mm或cm;3)粗、精电位器满度值2k;4)报警高度上限设定最大值:65m;5报警高度下限设定最小值:0 m;6)工作温度范围:传感器:-50-+70 显示仪:0-50;7)整机误差:0.025%8)RS232或RS485传输波特率9.6kb或其它;9)420ma电流输出线形度为约0.12%,负载能力0-500;10)信息传输误码率小于0.1%.第二章 传感器原理及旋转柜数学模型第一节 双电位器式位移传感器工作原理及数学模型211双电位器位移传感器工作原理(详见文献1)双电位器式传感器其基本工作原理(如图(2-1
9、)近似于电度表,时钟及码盘等。它主要由粗、精两只电位器和变速机构构成,两只电位器的最大阻值分别记为Rmax和rmax,其中精电位器为一可旋转的圆形电位器,其阻值随它的旋转呈周期变化。两只电位器经两个变比为N的齿轮咬合。被测位移机构推动精电位器作周而复始的变化,精电位器的变化经齿轮推动粗电位器阻值做相应变化,记最大位移量为Smax,位移每变化,精电位器变化一周,粗电位器变化。若某一时刻两电位器的阻值分别为Rx和rx,实际上我们取Rmax=rmax,由图2-2可以看出,该时刻总的位移量Sx与Rx和rx有一一对应关系。其大小取决于精电位器转过的圈数i和精电位器的电阻值读数rx。即有:Sx=i*+*
10、=i*+K*rx 其中K=*;K为精电位器电阻值每欧姆代表的位移量(mm/),精电位器转过的圈数i可由粗、精电位器阻值Rx和rx,判出(其方法详见下文)。由些可见,只要测得Rx和rx的值即可算出总位移量Sx。2.1.2精电位器转过圈数的计算方法首先将某一时刻粗电位器的阻值Rx(此处及下面所述的Rx和rx均指经单片机系统采集计算得的值)对做求整求余运算,得:Rx=i*+R余 (2.1.2)其中:i为整数; R余为余数部分;实际运用时我们取Rmax=rmax,在理想情况下,由该传感器的结构可知,i等于精电位器实际转过的圈数,并有R余=。但由于每只电位器本身存在非线性误差,长期使用电阻线的磨损及引线
11、电阻(含接触电阻),另外测量过程中电磁干扰等因素均影响致使单片机采集到的电粗、精电位器阻值,使其偏离粗、精电位器所对应的理论值,我们称其为不同步。测量结果的处理方法就不能象电度表、钟表等纯机械系统那样简单。如上所述,由于实际上单片机采集到的粗、精电位器阻值存在不同步现象,这就会导致当精电位器实际转过i圈时粗电位器的读数小于i*或大于等于(i+1)*,此时就会出现由粗电位器数值经(2.1.2)式算得的i不为精电位器实际转过圈数,同时也会有R余。为保证测量的精确度,需要对由(2.1.2)式求得的圈数i进行修正。考虑到上述因素的影响,我们可以选择合适的变比N使粗电位器的这种不同步(相对于精电位器来说
12、即以精电位器的阻值在粗电位器上的对应值为参考值)误差小于*,不同步度越小,N值可选的越大。以下就以该条件为前提讨论由(2.1.2)式算得的精电位器转过圈数i的修正问题。用i实表示实际上精电位器转过的圈数,R表示由精电位器实际转过的圈数i实和精电位器的阻值rx计算得到的粗电位器的理论值,由该传感器系统的结构可知:R=i实*+ (2.1.3)由于系统存在一个小于*的不同步误差,故表现在宜电位器的理论值R和实际的读数Rx上即为如下关系:| R - Rx|* (2.1.4)将(2.1.2)(2.1.3)两式代入(2.1.4)得:|实*|即 -实*-由于R余易知 即 -R余下面的不等式(2.1.6)分三
13、种情况进行讨论:1):当-:不等式(2.1.5)式可化简为:(将不等式(2.1.5)左端取最小值,右端取最大值,扩大了(2.1.5)式的范围,下同)0(i)*即 0i由于i为整数,所以有:i=1,即i+1;2)当-: 不等式(2.1.5)式可化简为: - 即 -1i1 由于i为整数,所以有:i=0,i;3):当:不等式(2.1.5)式等到效为:-i)即 -i0由于i为整数,所以有:i=-1,即i-1;由上南的分析可知,在粗、精电位器阻值的相对不同步误差小于,精电位器实际转过的圈数和由粗电位器读数求得的圈数之间存在确定的对应关系,而当误差大于这个值时,很明显将会出现i之间存在不确定的关系。这就是
14、我们确定最大允许不同步误差范围的依据。实际上这样大的容差范围已远可满足该系统的需要。综上所述,在容许系统存在一个粗当大不同步误差的情况下,我们何证了被测位移区间即精电位器转过圈数判断的正确性。传感器电阻值测量接口电路及计算方法详见第三章硬件部分。2.1.3 误差分析由2.1.1式可得: SX=由前文所示的方法,已完全可以保证SX=式中-精电位器转过圈数测量误差; rx精电位器阻值误差;SX总位移误差; -位移的相对误差。由2.1.8式可以看出,在电位器精度保持不变的前提下,采用双电位器式传感器和本处理算法可以将系统的测量精度提高N倍。2.1.4传感器的安装调试及运动调试传感器的安装结构示意图如
15、图2-3所示,传感器的整体结构除了粗、精电位器外,还有变速机构,连轴节等其他辅助元件。传感器在使用前心须检查并校准电阻零点。方法:使粗电位器的阻值为0时,精电位器的阻值也为零。若不为零,松开连轴节,将粗精电位器都调至零再拧紧连轴节。rR12341 精电位器 2 变速器 3连细节 4 粗电位置 图 2-3 传感谢器结构不意图在上面已经详细的讨论了位移传感器的原理,以及从传感器的电阻值到位移之间的关系,从中我们可以看出该转换数学模型已经在很大的干扰范围内保证了量的精确度,但是我们也可以看出,测量的位移值与精电位器的阻值存在的直接关系,当精电位器的外,粗电位器的测量值对结果也有间接的作用,由于电位器
16、期使用磨损,其电阻值会漫漫偏离设计的标准值,使测量不准确。为尽量减小两位器的“不同步度”和测量的精度、应对测得得的两电位器的阻值进行“软”调使其总是等于设计时的标准值。用RS表示粗电位器的满度标准值,RS表示某一位置处粗电位器的标准值,RS表示用过一段时间表后的满度值。RC用过一段时间后的该处实际电阻值易知:RCRS;且任一位置的标准电阻值与实际值成正常比关系。即:RC=n*RSRC=n*RS其中n为比例因子。精电位器也具有同样的关系。由上式可知,在运行时只要根据满度时的实际满度值计算一个比例因子,然后其他地方的电阻都乘以该比例因子,就要求以补偿该误差。故该因子可以称为补偿比例因子。程序中的具
17、体实现是:先将电位器调至某位置,然后软件检测其值,若不够该处的标准值,则通过三个键即或确认键,移位键和加1键将其显示并调至标准值,软件计算一个比例因子并保存,以后计算就乘以该比例因子。这样就可充分保证传感器磨损的情况下不影响测量的精度。第二节 煤气气柜的数学模型通用的媒气气柜有直升降式两种,对于直升式媒乞乞柜,气柜的高度即为测得的绳长,而对旋转式煤气气柜,由于绳长随罐的旋转升降,故高度并不等于绳长,而是存在一定的对应关系,下面就对旋转柜的结构进行分析进而得到绳长和气柜高度之间的关系。2.2.1 旋转式煤气气柜的结构旋转式煤气气柜的整体结构如图 2-4 所示,整个气柜是由n节旋转上升的气柜组合而
18、成,最底节固定节,高度一定,上升时,第1节先上升,然后依次上升第2节直到第n节,而下降时则相反,即第n节先下降,第1节最后降,每节的上升过程或下降过程相对于其上下两节均为反向,即若第i节正向旋转至最大高度,则第i-1节相对第i节反向旋转最大高度。每节旋转过程的平而展开图如图2-5所示。实际上使用的煤气气柜的每节均是以45度角旋转上升的,即有时该节的上升到最大高度,图中对应的弧长,最大上升高度与最大旋转角度之间的关系为: (2.2.1)其中: 的单位为弧度;则任意时刻的高度和旋转过的弧度与旋转角度和该节的直径关系为: 即 ( 2 . 2 . 2 )将2.2.1带入2.2.2得: ( 2 . 2
19、. 3 )为保证在气柜旋转过程中,绳不紧缚于气柜上,即当气柜旋转到最大角度时绳和气只相切实与一点,则绳的活动端到中心(即或绳的最大的旋转半径)应大天所有节中最大的气柜外径,旋转柜过程的侧视图如图2-7示,气柜俯视图如图2-6所示,A,B两点为绳的两个固定点,r为各节约中半径的最大值,为各节可旋转角的最大值,R为绳的旋转半径,由图中可以看到出,R r和之间的关系为: ( 2 . 2 . 4 )我们选绳垂直时绳和柜的中心线组成的平面为一固定期的参考平面,旋转上升过程中某一时刻绳相对于参考平面转过了一个角度则此时得绳长与总结上升高度及旋转角度之间的关系为: ( 2 . 2 .5 )假定正在上升的为第
20、i节,则有: 令 则 ( 2 . 2 . 6 )其中第i节的上升高度。令 则 ( 2 . 2 . 7 )将2.2.2式代入2.2.7得: ( 2 . 2 . 8 )将2.2.6和2.2.8代入2.2.5得 ( 2 . 2 . 9 )由上式可以看出,间是一个分段对应函数关系,式中当总高度逐渐增加时,由于不是一个递增或递减的变量,故并不一定随高度的增加而增加,即可能出现不同的高度对应同一个绳长,由于在单片机检测系统中我们检测到的是绳长,然后通过查表得到对应的高度,所以为得到正确的高度,我们应保证绳长和高度之间是一一对应关系。这使高度和绳长之间是这种对应关系,可以通过增加架设高度(人为增加绳的未端在
21、顶节的架的架设位置)来达到,图2-8是在不同的架设高度下的对应关系图。从图中可以看出,架设高度越大,绳长和气柜高度间的单值对应关系越好即高度随绳长变化为所附软盘中的文件HTOL.m。图中,四条曲线代表的旋转模型队假设高度外其他参数均相同。四条曲线由下到上不断增加假设高度,由图中可以年出,当架设高度较小时,出现多值现象,而当将架设高度增加到一定值时,无多值现象。第三章 系统硬件部分第一节 系统硬件整体原理框图本检测装置可对干、湿气柜的高度和贮量进行实时测量、显示及远程通信。整个硬件系统设计中最主要的部分有:变压器防爆设计,防爆电路和其他电路的隔离设计(包括电路和PCB板布置),通信,硬件抗干扰等
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