Проектирование буйкового уровнемера для измерения уровня серной кислоты

нашем случае, буёк будет представлять полый стальной цилиндр, покрытый сверху фторлоном-3(так как необходимо измерять уровень агрессивной среды).

Рассчитаем основные характеристики буйка:

.Рис 3.2.Чувствительный элемент буйкового уровнемера.

На буёк находящийся в жидкости будут действовать сила тяжести и выталкивающая сила (сила Архимеда). Спроектируем их на ось Х.

Рис 3.3.Основные силы, действующие на буек, погруженный в жидкость.

G=F_T – F_A;

F_T=m_жg;

;

Для определения F_T необходимо найти массу буйка. Зададимся размерами буйка:

Н_Б=1м;

d_Б=0,04м.

Так как нам необходимо измерять уровень агрессивной среды(кислоты), то наш буёк будет покрыт фторлоном-3(). Толщина покрытия будет равна 1мм. Определим массу фторлона-3:

.

Внутренняя часть буйка будет изготовлена из стали().

Внутри буёк будет полым. Толщину стенки возьмём 2мм.

Определим массу стали:

.

кг.

G= m_жg+  - статическая характеристика ПИП.

G=B-K₀h;

B=2,87*9,8=28,1Н;

K₀=.

G=28,1-17,2h;

Строим статическую характеристику ПИП.

Рис 3.4.Статическая характеристика чувствительного элемента.

Диапазон изменения усилия на рычаге будет составлять от 11,2Н до 28,1Н.

Рассчитаем чувствительность:

;

Динамическая характеристика ПИП.

Буйковые измерители уровня в динамическом отношении эквивалентны колебательным звеньям. Их передаточная функция выглядит следующим образом:

 ;

- перемещение буйка, м;

- изменение уровня жидкости, м;

T₁,T₂ – постоянные времени буйкового измерителя уровня, с;

K=1;

;

S- площадь поперечного сечения буйка;

m – приведённая масса буйка;

;

 - коэффициент вязкого трения;

;

Строим динамическую характеристику:

Рис 3.5.Динамическая характеристика чувствительного элемента.

Определим величину противовеса:

M₁=M₂;

;

l₁=1,5м;

l₃=2м;

;

Вес противовеса будет равен:

.

4. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СИГНАЛА ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА.

Для преобразования изменения уровня в токовый сигнал используем преобразователь “сила-ток”.

Рис 4.1.Схема электрической системы передачи измерительной информации с преобразователем “сила-ток”.

В основу работы ПИП, оснащённых преобразователями “сила-ток”, положен принцип силовой компенсации. ПИП включает чувствительный элемент и преобразователь “сила-ток” .

Измеряемая величина h преобразуется чувствительным элементом  в усилие . Это усилие через рычаг 2 уравновешивается усилием обратной связи , развиваемым магнитоэлектрическим преобразовательным элементом. Магнитоэлектрический преобразовательный элемент состоит из стержневого постоянного магнита NS с П-образным магнитопроводом 3,в зазоре между постоянным магнитом NS и магниторповодом расположена круглая рамка 4, жестко закреплённая на рычаге 2. Обмотка рамки соединена с выходом электронного усилителя 7. Вход электронного усилителя соединён со вторичными обмотками L₂ и L₂’ индикатора перемещения 6 рычага 2. Индикатор перемещения выполнен в виде дифференциально-трансформаторного преобразователя, на первичную обмотку L₁ которого подаётся питание с электронного усилителя.

При изменении значения h равновесие рычажной системы нарушается, что приводит к перемещению рычага и укреплённого на нём сердечника 5 из магнитомягкого материала. Перемещение сердечника преобразуется индикатором перемещения 6 в электрический сигнал , который поступает на вход электронного усилителя 7. Последний усиливает и преобразует  в ток I_вых , подаваемый в линию связи и на вход элемента обратной связи – магнитоэлектрического преобразовательного элемента. При протекании тока I_вых по катушке 4 магнитоэлектрического преобразовательного элемента формируется сила :

R_ос=BnlI_вых ,

B – магнитная индукция;

l – средняя длина витка катушки;

n – число витков катушки.

Перемещение рычага 2 под действием сил R_x и R_oc происходит до тех пор пока не наступит равновесие :

;

В состоянии равновесия выходной сигнал преобразователя “сила-ток” связан с R_x зависимостью

 статическая характеристика преобразователя “сила-ток”

В свою очередь R_x=b-K₀h следовательно

- коэффициент преобразования ПИП;

 - коэффициент преобразования чувствительного элемента;

;

Путём изменения коэффициента К_п можно изменять диапазон измерений преобразователя в пределах (10-20)%.

Для ПИП с диапазоном измерений h_min-h_max статическая характеристика имеет вид:

 , если диапазон изменения выходного сигнала 0-5 мА.

K₀=17,2;

K_п=5;

;

Принимаем плечи l₁=l₂=1,5м.

Найдём значения B,l,n.

B=0,5Тл;

l=0,1м;

n=69.

Найдём значения I_вых при минимальном и максимальном значениях уровня:

;

.

Для получения унифицированного сигнала 05В воспользуемся следующей схемой на операционных усилителях:

Рис 4.2. Схема для получения унифицированного сигнала.

R_н = R₂ =1кОм;

U_оп = -3,15В;

U_вых = 05В.

5. ВЫБОР ВТОРИЧНОГО ПРИБОРА ПО КАТАЛОГАМ ПиСА.

Для регистрации аналогового сигнала с выхода нормирующего