close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Ziyonet.uz

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИРРИГАЦИИ И МЕЛИОРАЦИИ
На правах рукописи
РАУПОВ ИСОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
УЧЕТА ВОДЫ НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ
СЕТИ
Специальность: 5А521802 – «Автоматизация технологических процессов и
производств»
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание степени магистра по специальности
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Научный руководитель:
к.т.н., доцент Усманов А.М.
Ташкент – 2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ГЛАВА 1
1.1
1.2.
1.3.
1.3.1
1.4
1.4.1
ВВЕДЕНИЕ
ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕ
НИЯ УРОВНЯ
Условия проведения лабораторных экспериментальных работ
и особенности выбора средств измерений.
Краткий обзор способов и устройств для измерения и
сигнализации уровня.
Гидростатическое устройство для измерения уровня воды.
Лабораторные испытания гидростатического устройства.
Лабораторная установка для изучения средств регулирования
подачи воды.
Блок-схема измерения уровня и учета воды.
Выводы.
ГЛАВА 2
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕИЯ ВОДОТОКА В ОРСИТЕЛЕ
С ПОВЫШЕННЫМ РАСХОДОМ.
2.1
Определение параметров водного потока. Время запаздывания. Постоянная времени. Передаточный коэффициент.
Изучение явления поверхностной волны водотока.
Выбор скорости регулирующего органа.
Выводы.
2.2
2.3
ГЛАВА 3
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПОЛИВНОЙ МОДУЛЬ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДА ПОВЕРХНОСТНОГО ПОЛИВА.
3.1
Структуризация поливного участка и моделирование элемен
тов САУ.
Технические решения автоматического регулирования при
создании АПМ.
Схематические дополнения для совершенствования станции
АУ затвором.
Автоматизированный поливной модуль и его технические
характеристики
Выводы.
3.2.
3.2.1
3.3
ГЛАВА 4
ПРОГНОЗИРУЕМЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗА ТЕЛИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОЛИВА.
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ.
1.Расчет устойчивости САУ.
2.Микропроцессорные средства управления.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие фермерства в Узбекистане во многом зависит от сезонных
запасов водных ресурсов и рационального их распределения. Однако
складывающееся положение дел показывает, что при возделывании
сельскохозяйственных культур используются далеко не все, в том числе
технические, возможности рационального расходования воды. И в этом
вопросе
направляющим
вектором
следует
считать
соответствующие
выступления Президента РУз И.А.Каримова, а также Постановления КМ
РУз. по развитию фермерских хозяйств. Формирование в аграрном секторе
страны фермерских хозяйств на основе инновационных управленческих
подходов, требует новых технических и технологических решений по всем
направлениям хозяйственной деятельности
направлений–
совершенствование
фермера. Одно из таких
технического
оснащения
внутрихозяйственной оросительной сети (ВОС) на основе разработок и
создания высокотехнологичных методов и устройств автоматизации и учета
воды на ВОС. Такой подход позволяет представить внутрихозяйственную
оросительную сеть, как техникотехнологический
автоматизации,
начиная
автоматизированной
от
системы
теоретических
управления
объект, подлежащий
основ
до
технологическим
построения
процессом
(АСУТП) внутрихозяйственной оросительной сети.
Актуальность темы в этом аспекте не вызывает сомнений по известным
причинам значительной отсталости технического оснащения и в целом
автоматизации внутрихозяйственной оросительной сети. В этих условиях
достаточно
привлекательным
следует
считать
технический
опыт
использования средств автоматизации и учета воды применяемый на
межхозяйственной оросительной сети. Это и датчики и регуляторы и
исполнительные механизмы. Однако технологические особенности ВОС
выдвигают определенные припядствия перед подобным использованием
этого
опыта.
Например,
для
межхозяйственной
оросительной
сети
технологическая задача это доставка (транспортировка) воды. А для ВОС
главная задача это полив. Что качается средств измерения и учета (СИУЧ)
воды то достаточно сказать о абсолютно разных диапазонах измерения и
организации гидрометрических постов. Проведенный
обзор
показал,
протекающие
что
технологические
процессы
внутрихозяйственной оросительной сети
литературы
на
связанны с необходимостью
автоматизации поддержания на внутрихозяйственном канале
заданного
уровня, а так же совершенствования средств и методов измерения и учета
воды в целях её научно-обоснованного использования. С этой целью было
высказано научное предположение о необходимости исследования методов и
средств автоматизации и учета воды на внутрихозяйственной оросительной
сети и возможности их применения в технологических условиях ВОС. Для
доказательства высказанной гипотезы были проведены работы направленные
на изучение вопросов автоматизации и учета.
Цель работы.
Исследования и совершенствование методов, средств
автоматизации и учета воды на внутрихозяйственной оросительной сети.
Методы исследований. В работе использованы аналитические методы
исследования
объектов
привлечением
автоматизации,
принципов
измерения
математического
и
учета
моделирования
воды
с
элементов
автоматики.
Научная новизна. В работе исследованы элементы САУ и предложены
метод и средства автоматизации, а так же измерения и учета воды на ВОС.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при
построении
АСУТП
внутрихозяйственной
оросительной
системы.
Внедрение в практику результатов работы позволит обеспечивать учет
воды и экономию водных ресурсов.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 2
научные статьи.
РЕФЕРАТ
Настоящая работа содержит 73 стр. машинописного текста, 11
рисунков, 4 таблицы.
В работе изложены исследования гидростатического принципа
и датчика уровня в том числе и по определению его технических и
эксплуатационных показателей. Основное место в работе отведено
изучению и разработке принципа построения системы измерения и
учета (СИУЧ) расхода воды на внутрихозяйственных оросителях. В
результате приводится состав приборов, обеспечивающих измерение, регистрацию и учет воды. Вместе с тем определяются схемы,
электрических соединений, принятых для устройства. Также
проводятся их лабораторные испытания. По результатам работ
предлагается
макет средств измерения регистрации и учета, в
составе практических рекомендаций по использованию СИУЧ на
ВОС. При решении вопросов измерения и учета воды необходимо
правильно выбрать принцип построения системы, определить состав
измерительных, регистрирующих приборов и их взаимосвязанную
работоспособность. А это в свою очередь должно обеспечивать
достоверную и удобную для понимания и восприятия информацию о
измеряемой среде. Учитывая изложенное, настоящая работа включает в
себя три главы. В первой главе предложены исследования по
определению
технических
гидростатического
датчика.
и
эксплуатационных
Вторая
и
третья
главы
параметров
посвящены
изучению и разработке принципиальных схем измерения и учета воды,
на ВОС.
Данный вариант диссертации приведен в сокращенном виде.
Глава 1. Гидростатическое устройство контроля давления жидкости.
Анализ работы некоторых преобразователей давления, выпускаемых
промышленностью, а также поиск материалов в Интернете
различных их
типов, для указанных целей позволили применить, выпускаемый в Украине
дифманометр
мембранный
с
дифференциально-трансформаторным
преобразователем, типа ДМ, Принцип работы его заключается в следующем
(рис.1). Контролируемые давления, поступающие в полости А и Б
дифманометра I через отверстия 6 и 7, воздействуют на чувствительный
элемент дифманометра - вялую мембрану 5. Если имеется разность давлений,
то под ее воздействием мембрана и жестко связанный с ней плунжер 3
дифтрансформаторного преобразователя ПД 4, перемещается, занимая
положение, при котором усилие от приложенной к мембране разности
давлений уравновешивается силой пружины 2. Перемещение плунжера 3
преобразуется в изменение величины выходного электрического сигнала.
Следует сказать, что мембранные дифтрансформаторные преобразователи типа ДМ, в зависимости от чувствительности устанавливаемых
мембран, имеют различные пределы измерений от 0,63 кн/м2 до 0,1 мН/м2.
Возможность преобразования давления в аналоговый электрический
сигнал
с
использованием
мембранного
дифференциально-транс-
форматорного преобразователя типа ПД, позволило, на базе этого прибора
разработать гидростатическое устройство для непрерывного контроля уровня
воды.
Устройство
состоит
из
жесткой
трубки,
гибкого
шланга,
дифманометра, с дифференциально-трансформаторным преобразователем, а
также вторичного показывающего прибора, для снятия показаний датчика.
Трубка, может устанавливаться вертикально непосредственно
в воду на
глубину соответствующую диапазону измеряемого уровня.
Изменение уровня приведет к большему или меньшему затоплению трубки
водой,
в
результате
чего
изменяется
давление
воздуха
в
объеме
ограниченном с одной стороны уровнем воды в трубке, а с другой мембраной дифманометра .
Рис.1 Устройство и принцип работы пре5образователя ДМ
Это давление будет передано мембране, которая переместит связанный с ней
плунжер
дифференциально-трансформаторного
результате
на
выходе
создается
напряжение,
преобразователя.
являющееся
В
аналогом
изменения давления. Диапазон измеряемого уровня с помощью описанного
устройства
обусловлен
различными
пределами
рабочих
давлений
дифманометров соответствующих 0,63; 1,0; 1,65; 2,5; 4,0; 6,3; 10 М.
Таким образом, применительно к внутрихозяйственным оросителям
для измерения малых-диапазонов колебания уровня, из указанного ряда
можно выбрать необходимый.
Изучение действия гидростатического устройства показали возможность его применения в качестве датчика уровня на внутрихозяйственных оросительных каналах, а также в качестве измерительного прибора
при стендовых испытаниях.
Известно, что от точности датчика, его чувствительности, диапазона
измерения, во многом зависит настройка регулятора и, в конечном счете,
работа исполнительного механизма по отработке необходимого задания. А
это, в свою очередь, должно обеспечить поставленную задачу поддержания
заданного уровня.
Поэтому необходимо было определить, как на упомянутые показатели
датчика воздействуют условия его эксплуатации, а именно температура,
атмосферное давление и др.
1.1. Снижение динамических погрешностей гидростатического
преобразователя уровня воды в канале
При изучении погрешности системы измерения с гидростатическим
датчиком, которая может возникать за счет изменения температуры
окружающей среды и удельного веса воды при изменении ее температуры,
был проведен анализ действия указанного устройства.
В связи с этим была:
1. Изучена физическая сущность возникновения погрешности измерения;
2. Оценена погрешность измерения в системе;
3. Изысканы рекомендации по полной или частичной компенсации
температурных погрешностей.
Как
отмечалось
выше,
уровень
воды
при
использовании
гидростатического датчика определяется преобразователем давления, как
разность атмосферного давления - РАТМ (камера Б
дифманометра) и
давления РПТ, поступающего от пьезометрической трубки, когда последняя
опущена в объект измерения, а другим концом соединена с камерой А
дифманометра.
Таким образом между измеряемым уровнем и чувствительным элементом датчика - мембранный существует передаточное звено у -воздух,
который и воздействует на мембрану. При этом необходимо уточнить, что
воздух находится в сжатом состоянии в замкнутом объеме полости
пьезометрической трубки и камере А дифманометра между уровнем h и
мембраной (рис.2).
Следовательно, для выяснения степени влияния температуры на
сжатый воздух (газ), необходимо установить какие законы термодинамики
определяют его состояние.
Для этого принимаем, что уровень H в объекте остается достоянным. В
этом случае можно считать, что объем воздуха в полости трубки и камере А
дифманометра не изменяется, что отвечает условиям изохорного процесса.
Тогда, по известному закону Шарля давление воздуха в замкнутом
объеме измерительной части датчика линейно зависит от температуры по
выражению
Pt = P0 [1 + β (t − t 0 )]
(П3.1)
где P0 - давление газа при 0°С;
-1
β - термический коэффициент давления ( β =1/273 град. )
Pt - давление при t°С.
Следовательно, давление воздуха в исследуемой системе измерения
при нагревании увеличивается на величину
ΔP = P0 βΔt
(П3.2)
где Δt - изменение температуры.
Величина Δt и вносит погрешность в измерение, которая может быть
оценена через изменяемый уровень для различных температур.
Для оценки погрешности датчика, вносимый величиной Δt был собран
экспериментальный стенд (рис.2), состоящий из стеклянной емкости I,
укрепленной в штативе, гидростатического датчика и вольтметра 2 для
снятия показаний датчика. Причем, пьезометрическая трубка 3 подключалась
к дифманометру 4, через тройник в свободное отверстие которого вносился
термометр 5. Место соединения термометра с тройником герметизировалось.
Таким образом, с помощью термометра можно было замерить температуру
воздуха в измерительной части уровнемера.
Предел измерения дифманометра составлял 1 м (100 см). Замеряемый
уровень определялся по масштабной линейке, нанесенной на стеклянную
емкость.
Подача тепла осуществлялась от внешнего источника - калорифера
мощностью 1 кВт, находящегося на расстоянии от стенда, для создания
равномерной подачи тепла.
Рис.2. Экспериментальный стенд по оценке температурной
погрешности датчика
Цель
эксперимента
сводилась
к
сравнению
тарировочной
характеристики датчика, сделанной при постоянной температуре t1=18°С
(const) с характеристикой, полученной при температуре t2 =28°С (const).
Следует отметить, что крутизна характеристики преобразователя ПД,
установленного в дифманометре, для обоих случаев оставалась неизменной.
Замеры уровня производились в 16 точках в пятикратной повторности.
Уровень в емкости изменялся в прямом и обратном направлении.
По полученным значениям средних величин
1 n
U = ∑Ui
n i=1
где Ui - выходной сигнал датчика в В с повторностью от i до n=5;
n - повторность,
построены характеристики
U 1 при t1 =18°С
U 2 при t 2 =28°С
которые дают линейную зависимость между связанными величинами.
Оценка погрешности измерения производилась
абсолютной
ошибки
U,
среднеквадратического
с расчетом средней
отклонения
σ,
коэффициента вариации v.
Для количественной оценки погрешности вносимой изменениями
температуры Δt =10°, был произведен сравнительный анализ результатов
эксперимента.
С этой целью были сопоставлены средние арифметические значения U 1
и U 2 , определенные по замерам в 16 точках предыдущего эксперимента.
Проведена статическая обработка величин U 1 и U 2 по указанной
задаче.
По проведенным результатам экспериментов можно сказать,
что
повышение температуры на 10°С в процессе изменения уровня, когда он
изменяется от 0 до 80 см (0,8 м), приводит к изменению выходного сигнала
датчика ΔU =0,017В.
Ошибка определения уровня в размерности Н составит:
ΔH =
ΔU ⋅ H 0,017 ⋅ 80
= 1,36 см.
=
U
1
где ΔН - ошибка определения уровня в см;
ΔU - погрешность, вносимая величиной t° в В;
H - предел измеряемого уровня в см;
U - максимальное значение выходного сигнала датчика в В.
Относительная ошибка при этом составила
δ=
ΔН ⋅100
≈ 1,7%
Н
для диапазона измеряемого уровня Н = 80с
Принимая во внимание, что векторы обоих давлений имеют одинаковое
направление, искомое давление, воздействующее на мембрану выражается:
P = PАТМ + ρg ( H − h)
(ПЗ.З)
где ρ - удельный вес вода;
g - ускорение свободного падения.
Если учесть, что мембрану дифманометра и со стороны камеры через
столб воды Н действует давление РАТМ, то выражение ПЗ.З принимает вид:
P = ρg ( H − h)
(П3.4)
Если значение уровня h возрастает до величины h2, то давление Р должно
соответственно уменьшаться на величину ρg ( H − h) т.е. P = ρgH − ρgh2
Или
P = ρg ( H − h2 )
Тогда для общего случая последнее выражение запишется, как
P = ρg ( H − h)
(П3.5)
где H - расстояние столба воды в измерительной части;
h - измеряемый уровень.
Учитывая, что выходной сигнал датчика является аналогом искомого
давления, то можно записать, что
U = f [ρg ( H − h)]
Таким образом, уровень, по разработанному принципу, определяется
через весовое давление, оказываемое столбом воды, заключенным в полости
измерительной трубки и камере дифманометра, между мембраной и границей
измеряемого уровня. При этом колебания уровня изменяют величину искомого
давления и тем самым определяется величина выходного сигнала датчика.
Для того, чтобы определить характер зависимости U=f(h) была
произведена тарировка датчика.
По полученным значениям построена характеристика, дающая линейную
зависимость выходного сигнала от уровня
Анализ проведенных экспериментальных работ позволил установить, что
температурные условия работы гидростатического датчика на процессе
измерения не отражаются.
Далее приводится теоретическое обоснование этого явления, и здесь же
приводится воздействие весовое давление на чувствительный элемент датчикамембрану
Глава 2. Изучение технических и эксплутационных показателей
гидростатического датчика.
Проведенные работы по исследованию гидростатического датчика при его
заливке водой показали, правильность принятого в нем принципа
измерения.
Это
так
же
было
подтверждено
предварительными
экспериментальными исследованиями. Наряду с этим были установлены
некоторые особенности действия гидростатического датчика, влекущие за
собой
задачу
определения
диапазона
измерения,
чувствительности
датчика, рассмотрения вопроса точности. Кроме того, встала необходимость уточнения климатических условий эксплуатации разработанного устройства.
2.1. Определение диапазона измерения, чувствительности и
точности гидростатического датчика.
Вопрос определения диапазона измерения гидростатического датчика
является одним из основных условий его нормальной эксплуатации,
предъявляемых к устройствам подобного назначения. При решении этого
вопроса необходимо было исходить от субъективного фактора того или
иного канала внутрихозяйственного масштаба. Принимая во внимание,
что в течение всего периода работы каналов ВОС, уровень колеблется в
пределах 0-100 см, нельзя не сказать и то, что в период номинального
заполнения каналов, колебания его намного меньше и могут составлять 020 см. А это весьма существенно скажется на чувствительности датчика и
точности измерения, повысив, эти показатели.
С другой стороны использование такого диапазона невозможно без знания
установленных режимов работы канала ВОС. Вместе с тем различие
таковых режимов и большое количество внутрихозяйственных каналов не
позволяет применять известный диапазон. В результате, учитывая
вышеизложенное, был принят диапазон в пределах 0-200см. Говоря о
диапазоне измерения разработанным датчиком необходимо обратить
внимание на такое обстоятельство. Основным элементом датчика является
мембранный
дифманометр,
выпускаемый
с
различными
рабочими
перепадами давлений, действующими на мембрану и обеспечивающими
линейность выходной электрической характеристики датчика в пределах
этого рабочего перепада.
Выбор того или иного дифманометра для необходимого диапазона должен
производиться после приведения давления к весу соответствующего
столба воды находящегося в трубной части гидростатического датчика.
При проведении экспериментальных исследований по определению
диапазона измерений было установлено, что выбор дифманометров
необходимо производить с некоторым «запасом». При проведении
экспериментальных
работ
была
рассмотрена
возможность
иного
расположения датчика, когда необходимо использовать
весь диапазон измерения, на который рассчитан дифманометр. Например,
диапазон контролирующего уровня составляет 0-250см. Для его измерения
так же можно использовать дифманометр
с рабочим перепадом давления
2500 кг/м2.
Вопрос определения диапазона измерения гидростатическим датчиком тесно связан с чувствительностью и точностью измерения.
Нами, для комплексного изучения этих параметров производились
испытания датчика (по диапазону, чувствительности и точности).
Испытания проводились на стенде состоящем из цилиндрической емкости,
гидростатического датчика , стабилизированного источника питания ,
цифрового ампервольтметра, класса точности 0,5 Измеряемый уровень
можно визуально контролировать по стеклянной трубке , сообщающейся с
емкостью. Размеры емкости соответствовали диапазону колебания уровня
в нем от 0 до 200 см.
Проведенные испытания дали положительные результаты, Отрабатывая
принятый диапазон датчик показал высокую чувствительность. 2.2.
2.2.Изучение и определение климатических факторов, влияющих на
работу датчика
Для определения климатических фактров (температуры, влажности,
атмосферного давления), влияющих на работу датчика были проведены
экспериментальные работы на стенде8. Кроме указанных на рис. 8
приборов в стенд входили барограф, гигрограф, нагревательная установка
(для окружающего воздуха), термонагреватель, опущен в емкость (для
подогревания воды в емкости) и термометр.
Дифманометр устанавливался над емкостью. "Минусовая" камера его и
полость пьезометрической трубки заливались водой. Трубка свободным
концом опускалась в емкость с водой на расстояние I см от дна. Вторая
камера дифманометра сообщалась с атмосферой.
При увеличении уровня в емкости компенсировался столб воды в
трубке, находящейся над уровнем, при этом уменьшался вес указанного
столба
жидкости
и
соответственно
уменьшалось
давление,
воздействующее на чувствительный элемент датчика - мембрану. При
уменьшении уровня происходит обратный процесс.
Таким образом, уровень своими колебаниями увеличивал или уменьшал
вес
столба
воды,
соответственному
находящийся
давлению,
над
уровнем,
воздействующему
что
на
приводило
к
чувствительный
элемент устройства мембрану по закону:
P = f [γ ( H − h)]
Где: P
- давление, оказываемое на мембрану; H - высота столба воды в
трубке и камере над уровнем; h -измерительный уровень; γ -удельный вес
воды. Таким образом, давление P
зависит от двух величин - уровня h и
удельного веса γ . Если предположить, что уровень
может оставаться
постоянным, то давление
весом воды
Р
будет определяться только удельным
γ , величина которого зависит от
температуры. В виду
весьма незначительного изменения удельного веса γ
при варьировании
температуры, показания датчика оставались стабильными. Все изменения
уровня снимались по цифровому вольтметру .
Показания устройства измерения сравнивались с показаниями, снимаемыми по контрольной масштабной линейке. При этом были получена
полная аналогия полученных результатов с ошибкой +\- 0,5%.
Как уже отмечалось, целью испытаний явилось выявление климатических
факторов, влияющих на работу датчика.
Экспериментально, в лабораторных условиях было установлено:
1. Температура практически не вносит погрешности в измерения.:, в виду
принебрежительно малого изменения удельного веса воды в диапазоне
рабочих температур (5°-55°С).
2.Влажностные
условия
работы
гидростатического
датчика
опреде
ляются данными серийного прибора ДМИ (до 95%).
3.
Атмосферное
давление
практически
устройства в диапазоне от 0 до 10 м.
не
сказывается
на
работу
Рис.3. К определению климатических факторов влияющих
на работу датчика.
Глава 3. Разработка системы измерения и учета воды
Вопрос, рассматриваемый в данной главе ранее был частично
изучен. Однако, лишь в том аспекте, в каком это требовали разработка и
испытание гидростатического датчика, а также общий вопрос его
стыковки
со
вторичными
измерительными
регистрирующими
устройствами.
Практическая реализация принятых
средств измерения и учета
(СИУЧ), а также всей системы в целом требует более детального ее
изучения с целью принципиального построения системы, выбора ее
конкретных элементов и согласования их, для обеспечения эффективной
работы СИУЧ воды.
3.1. Разработка принципа построения средств измерения
и учета. Разработка и изготовление схем СИУЧ.
Важные проблемы точности измерения и учета воды, удобства в
получении информации и ее достоверности при внедрении автоматического
регулирования
водоподачей
на
ВОС,
обуславливают
значительную сложность решения вопроса правильного выбора средств
измерения и учета, а также принципиального построения измерительной
системы в целом.
В настоящее время существуют различные методы учета воды.
Одним из них является метод тарирования гидротехнических сооружений, принятый нами в настоящей работе.
При этом учитывалось, что внутрихозяйственные оросительные каналы
характеризуются неустойчивостью режима нижнего бьефа.
Поэтому известна формула имеющая вид:
Q = Μ ab 2 g Ζ
где Q - расход воды;
M - коэффициент расхода;
a.b - параметры открытия затвора; Z - перепад уровней.
принятая нами в качестве определяющей, соответствует затопленному
истечению в нижний бьеф. В этом случае в соответствии с принятым
методом определения учета датчик уровня устанавливается в нижнем
бьефе в створе, для которого получена устойчивая
зависимость Q = f (H ) .
тарировочная
Поддерживая, путем маневрирования затвором
на водомерном сооружении заданный уровень система обеспечивает
подачу того расхода, который необходим по плану водоподачи.
Отсюда возникает задача правильного определения интересующего нас
уровня H , и кроме того получения удобной и достоверной информации
о состоянии искомого уровня.
Если первая половина этой задачи решена с помощью разработанного
ранее гидростатического датчика, то вторая лишь в общем. Тогда был
определен состав измерительных регистрирующих приборов, в который
входили вторичный самопишущий прибор ВФС-М, счетчик импульсов
СИ (рис.а,б). Принципиальное же построение схемы регистрации и
учета воды представляется следующим образом.
Датчик производит, измерение уровня H
преобразует его в выходной
аналог напряжения и подает на вход вторичного самопишущего прибора
ВФС-М. Вторичный прибор регистрирует уровень на бумажной ленте, а
также
с
помощью
встроенного
преобразователя
частотного
ПГ,
вырабатывает частотный сигнал, подаваемый на счетчик СИ. Последний
преобразует частоту преобразователя Ш в импульсы, отсчет которых
производится визуально на цифровых барабанчиках сумматора СИ,
Описанная последовательность измерения и учета воды, принципиальное построение которой будет дано ниже, поставила задачу
разработки схемы СИУЧ и их стыковки. Для изложения работы этих
схем
целесообразно
напомнить
принцип
действия
вторичного
самопищущего прибора ВФС-М.
Вторичный прибор измеряет величину параметра по компенсацион-
ному методу с помощью компенсирующего ферро-динамического
преобразователя 2 (рис), рамка которого кинематически связана с
конденсаторным двигателем 4, управляемым субблоком (усилителем)
4УНФ1-3. Обмотки возбуждения обоих преобразователей включены поUc
следовательно на напряжение
и обтекаются общим током. При
этом на выходе преобразователей I и 2 индуктируется э.д.с. Е1 и Е2.
пропорциональные
току
индуктивностям М
и
питания
и
комплексным
взаимным
ML .
Схема сфазирована таким образом, что двигатель 4 поворачивает рамку
преобразователя 2 на такой угол, при котором разность э.д.с.
Е1 – Е2, поступающая на вход усилителя 3 становится равной
порогу чувствительности последнего. При достаточно большом коэффициенте усиления субблока 3 можно считать, что после достижения
компенсации
схема автоматически поддерживает равенство. А это
в свою очередь соответствует отработке конденсаторным двигателем 4
возмущений преобразователя I датчика, о которых можно судить по
стрелке прибора кинематически связанной с ротором двигатели.
Рис.4.Схема работы вторичного прибора ВФС-М
Работа вторичного прибора ВФС-М, по записи показаний датчика,
одновременно определяет и действие встроенного в него преобразователя ПГ (рис. 4 ). обеспечивающего выходной частный сигнал,
используемый для цифровой регистрации потребленной воды.
Таким образом, изученные электрические и принципиальные схемы
приборов, входящих в состав разрабатываемой СМ-Я, позволили
предложить, на их базе,принципиальную схему измерения и учета.
Предложение
такой
схемы
обуславливалось
следующими
признаками:
1.Необходимостью измерения и регистрации мгновенных и суммарных
значений расхода воды.
2.Необходимостью отчетности за потребленную воду.
3.Необходимостью получения удобного вида информации о контро
лируемом параметре.
В предложенной схеме операции по п.п.1,2,3 производятся приборами
ВФС-М и СИ» На бумажной ленте вторичного прибора производится
запись мгновенных значений уровня (расхода), сумматор
на СИ ведет
интегральный учет потребляемой воды.
Вместе с тем с помощью обоих приборов возможно документально
судить о потребленной воде за определенный (отчетный) период.
3.2. Определение входных и выходных параметров элементов СИУЧ
Для обеспечения нормальной работы, принятой СИУЧ необходимо
было определить входные и выходные параметры отдельных ее элементов: вторичного самопишущего прибора ВФС-М, частотного преобразователя ПГ и сумматора частотного СИ.
Здесь необходимо оговорить, что мембранный преобразователь
гидростатического датчика, вторичный прибор ВФС-М и частотный
преобразователь ПГ могут по желанию заказчика комплектоваться
заводом-изготовителем. С этой точки создаются известные удобства при
их использовании . По этой причине принятые нами устройства и схемы
были условно разделены на измерительные с записью и регистрационные цифровые.
Коротким пунктиром на рис.
указывается комплектуемая часть
СИУЧ, в которую входят дифманометр, мембранный ДМИ, вторичный
прибор ВФС
с встроенным ПГ. Входным сигналом для дифманометра
является измеряемый уровень, преобразуемый датчиком в выходное
напряжение I-0-I В (при измерении взаимной индуктивности 10-0-10
мГн).Питание датчика осуществляется со стороны вторичного прибора
напряжением I2B.
Выходное напряжение датчика поступает на вход вторичного прибора к встроенному компенсирующему преобразователю ПФ-2, после
чего отрабатывается конденсаторным двигателем ВФС-М
Частотный преобразователь ПГ, как уже говорилось кинематически
связан с двигателем вторичного прибора и питается с его стороны
напряжением 24 В + 10 % 50гц. Угол поворота входной оси ПГ составляет
у= 0-40 , при этом на его выходе формируется выходная
частота 4000-8000 Гц. Импульсы данной частоты поступают на вход
частотного сумматора СИ. Напряжение питания сумматора составляет
12B.
На рис. 5 представлена последовательная схема работы СИУЧ,
снабженная электрическими входными и выходными параметрами ее
элементов, а также общий вид СИУЧ.
Разработанные и изученные схемы СИУЧ прошли всестороннюю
лабораторную проверку, показав свою работоспособность. В рекомендациях для использования предлагаемой СИУЧ надо сказать, что для их
нормальной работы необходимы температурные условия. Значение
температуры должно колебаться в пределах +5°, +55°С.
Рис.2. Схема измерения и регистрации показаний расхода
При описании работы вторичного прибора ВФС-М
указывалось
то,
что
он
может
снабжаться
нами не
сигнализирующим
регулирующим устройством. Привязывая действие этого устройства к
измерению уровня, а также регулированию расхода, можно получать
необходимые данные о фиксированных значениях уровня (расхода).
Сигнализирующее устройство состоит из двух или четырех одинаковых
контактных узлов, собранных на отдельных платах . На центральной
оси, которая связана с указателем прибора, укреплены два или четыре
хомута.
При вращении центральной оси против часовой стрелки хомут
отводит стопорную пружину , выводя фиксирующий зуб пружины из
паза
кулочка,
повернувшись
и
поворачивает
через
плоскую
последний
пружину,
вокруг
оси.
Кулачок,
нажимает
кнопку
микропереключателя .
Поворот кулачка вокруг оси
прекращается когда палец кулачка
выходит из зацепления с хомутом, и в этом положении стопорная
пружина
фиксирует своим зубом кулачок, предохраняя его от
произвольного поворачивания. При повороте вала по часовой стрелке
устройство
срабатывает
микропереключателя
в
обратном
освобождается.
Так
порядке
же
работаю т
и
кнопка
о ст альные
контактные группы.
Хомуты крепятся на оси так, что каждый из них можно поворачивать
независимо друг от друга, что создает удобство при настройке
контактов
3.1.Рекомендации по производству макета средств измерения и
учета
При разработке макета сист емы из мерения ж учета воды в канале
был проведен аналитический обзор существующих устройств для
измерения уровня и расхода воды в канале.
Проанализировав конструктивное исполнение ряда систем измерения уровня эксплуатируемых на открытой оросительной сети при
влиянии на них внешних климатических, механических и прочих воздействиях, были сделаны выводы и даны рекомендации по конструктивному исполнению действующего макета средств измерения и учета
для установки его на открытом канале.
Шкаф с приборами и оборудованием должен быть механически проч
ным, чтобы исключить возможность выхода из строя из-за непредви
денных механических воздействиях Все внешние соединения системы
измерения и учета должны выполняться бронированным кабелем или
прокладываться в металлической трубе до места подключения для
исключения короткого замыкания внешних с оединений и попадания
человека под высокое напряжение. В то же время конструкция системы
измерения должны быть удобной в обслуживании и при снятии
показаний приборов. Расп о лагать систему измерения и учета желательно в непосредственной близости от места измерения, т.е. в голове
канала или на водовыпучках, чтобы исключить погрешности при
измерениях.
Особое внимание при разработке действующего макета системы
измерения и учета воды в канале уделялось использованию серийноизготавливаемых приборов и оборудования для возможности повторения конструкции в более крупных масштабах и для получения на
выходе унифицированного сигнала и дальнейшей его передачи на
центральный
конструкции
диспетчерский
действующего
пункт.
При
маке та
изготовлении
б ы ли
самой
учтены
все
вышеперечисленные факторы. В основу конструкции бы л использован
серийно изготавливаемый шкаф от силового распределительного щита
марки. На дне шкафа устанавливается дифманометр ДМИ, к нему через
заднюю стенку подведены измерительные трубки чувствительного
элемента . Выше дифманометра на левой стенке шкафа установлен
автоматический выключатель марки АП -50 для подачи питан ия в схему
и защиты устройства от короткого замыкания.
Для
размещения
вторичного
преобразователя
ВФС-М,
зап исыв ающ его на диаграм мную ленту расход (уровень) воды в канале
и преобразующего сигнал переменного напряжения дифманометра в
унифицированный частотный сигнал для передачи его на диспетчерский
пункт и на частотный счетчик полного расхода воды, проходящего
через канал был изготовлен металлический ящик клиновидной формы
шириной 425 мм и размерами боковой стенки 210x420x310 мл (см. рис
16 ) Ящик выполнен заведомо больших размеров для размещения в нем
в дальнейших разработках, оборудования для управления двигателя
подъема затвора с целью поддержания заданного расхода в младших
каналах при изменении уровня в старшем. Вторичный преобразователь
ВФС-М
с
помощью
комплектующих
соединительных
штекеров
соединяется с дифманометром ДМИ и частотным счетчиком СЧ
согласно технических описаний данны х приборов. На все открытые
части вторичного прибора предусмотрены металлические защитные
кожухи для предотвращения п оломки приборов посторонними лицами.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования по автоматизации средств учета воды на
внутрихозяйственных оросителях
включающих изучение средств
измерения, преобразо в ания и регистрации
при водопользовании
позволили:
1.Установить работоспособность гидростатического датчика
в диапазоне температур 5-55 град.С, что соответствует требованиям,
предъявляемым к подобным устройствам. Отметить, что влажность
воздуха (предельное значение 95 %) и а т мосферное давление ( в
пределах разницы 1 атм.) на его работу не влияют,
2.Предложить
и
обосновать
методику
выбора
преобразователей
давления ДМ, исп о льзуемых в датчиках д ля различных диапазонов
измеряемого уровня.
3.Определить
требования,
регистрации у р овня
предъявляемые
к
средствам
учета
и
воды , используемых на внутрихозяйственной
оросительной сети. Разработ ать принципиальную схему измерения,
учета и регистрации
уровня(расхода) воды, выполненную на базе
серийных приборов.
4.Разработать и предложить действующий макет измерения и уче
та и выработать рекомендации п о его использованию в локальных
системах.
6.Разработать основные требования к устройствам измерения и учета
для их стыковки с устройствами управления приводов затворов
перегораж ивающих с ооружений
Глава 4. Прогнозируемые технико-экономические показатели
Эксплуатация
автоматизированного
учета
воды,
с
применением
технических средств измерения уровня воды на внутрихозяйственной
оросительной сети, позволяет вести экономию воды и за счет этого
проводить высокотехнологичный, научно-обоснованный нормированный
полив
на
дополнительной
площади
и
прогнозирует:
повышение
урожайности (хлопчатника) на 3-5 ц/га, экономию водных
ресурсов,
ликвидацию труда учетчиков, повышение производительности труда.
Расчет производился для одинаковых природных и хозяйственных условий
эксплуатации земель.
При существующем способе учета трудозатраты составляют:
Выработка условного поливальщика 1,25 га/смену; стоимость одного
поливогектара/СИУЧ 4600 сум., бригада учетчиков/район – 4 чел.,
Технико-экономические показатели следующие:
1.
Площадь, обслуживаемая одним устройством СИУЧ
200 га
2.
Количество операторов
1 чел.
3.
Выработка устройства
4,4 га/смену
1 СИУЧ
4.
Энергоемкость
0,5 кВт.
5.
Балансовая стоимость
2700000 сум.
Годовой экономический эффект от применения средств измерения и учета
расчитываем по формуле:
Э = ( З РП − З МП ) ⋅ А
(4.1)
где: Э- годовой экономический эффект, сум;
З РП , З МП -приведенные затраты единицы
продукции
гектар/СИУЧ);
А- объем производства (обслуживаемая площадь), га;
(поливо-
В соответствии с [9] вқражение (4.1) приравнять:
Э = [(И РП + Е Н К Р .П ) − (И МП + Е Н К МП )] ⋅ А
(4.2)
где И РП - издержки производства на поливогектар при обычном поливе;
Ен-
нормативный коэффициент капитальных вложений;
К РП - удельные капитальные вложения без использования СИУЧ;
К НП - удельные капитальные вложения при использования СИУЧ
Удельные капитальные вложения для обычного учета будут составлять:
Б
КРП =
ПРП ⋅G
=
2700
= 35
1,3 ⋅ 60
(4.3)
Удельные капитальные вложения при автоматизированном измерении
и учете будут составлять
КMП =
Б
2700000
=
= 2867
ПMРП ⋅ G 4,4 ⋅ 214
(4.4)
Издержки производства на поливогектар при автоматизированном учете
будут складываться из:
И МП = И З + И А + И Р + И Э + И ПР
(4.5)
где И З - расходы на заработную плату;
И А - амортизационные отчисления на реновацию;
И Р - расходы на капитальный ремонт и текущий ремонт;
а также техническое обслуживание;
И Э -расхода на энергию;
И ПР - прочие расходы.
Определим последовательно вышеперечисленные показатели
ИЗ =
Л ⋅ ЗП 1 ⋅ 1608
=
= 365
4,4
П МЛ
где Л- оператор-гидротехник;
ЗП- ставка заработной платы в час.
Амортизационные отчисления на реновацию
(4.6)
ИА =
Б′ ⋅ а
2700000 ⋅ 14
= 86
100 ⋅ П МЛ ⋅ Q 100 ⋅ 4,4 ⋅ 1000
(4.7)
где а- процент амортизационных отчислений 14%
Q-нормативная годовая загрузка оборудования 1000 час.
Отчисления на капитальный и текущий ремонт, а также техническое
обслуживание
ИР =
2700000 ⋅ 12
Б′ ⋅ р
=
= 74
100 ⋅ П МП ⋅ Q 100 ⋅ 4,4 ⋅ 1000
(4.8)
где р- процент отчислений на ремонт, а также на техническое обслуживание,
12%.
Расходы на электрическую энергию
ИЭ =
W ⋅ Ц 0,5 ⋅ 81
=
≈ 9,2
4,4
П МП
(4.9)
где W-установленная мощность, кВт;
Ц –цена киловатт-часа электрической энергии 81 сум/кВт.
Прочие расходы определяем в виде 10% от суммы Иэ,Ир,Из.
И ПР = 0,1( И Э + И Р + И З ) = 44,8
(4.10)
Общие издержки И МП составляют 3300 сум/га.
Таким
образом
экономический
эффект
от
внедрения
средств
автоматизации учета по выражению 5.2 составляет
Э = [(6240 + 0,15 ⋅ 35) − (3300 + 0,15 ⋅ 2867 )] ⋅ 20 = 50300 сум
или 2515 сум/га. В процентом отношении снижение стоимости одного
поливогектара будет составлять:
2515
100% = 66%
3300
Стоимостные показатели экономической эффективности при всей
своей универсальности не могут характеризовать с достаточной полнотой
положительные
Важнейшим
стороны
показателем
эксплуатации
эффективности
автоматизированного
новой
техники
производительность труда, которая определяется по формуле:
учета.
является
⎡⎛
SP1
SP ⎞⎟ ⎤
В = К ⎢⎜
:
− 1 ⋅ 100
⎜
⎟ ⎥
⎣⎢⎝ И1 − ∑ Δ И t И1 ⎠ ⎦⎥
(4.11)
где В- процент роста производительности труда;
SP1- обслуживаемая площадь за 1 смену в году, предшествующем
внедрению новой техники;
∑ Δ И t - планируемое уменьшение численности операторов (учетчиков);
К- в формулу введен коэффициент освоения новой техники 0,4.
Подставляя значения получим
⎡⎛ 4,54 8,75⎞ ⎤
В = 0,4⎢⎜
:
⎟ −1⎥ ⋅100 ≈ 43%
⎣⎝ 4 − 3 4 ⎠ ⎦
Для определения срока окупаемости необходимо определить показатель
прироста прибыли по выражению
ΔП = [И Р − И М ]Q
(4.12)
ΔП = [74 − 71,7] ⋅ 1000 = 2300
тогда срок окупаемости капитальных вложений составит
Т =
∑К
ΔП
=
2902
≈ 1,3 г
2300
Учитывая сезонность работы ВОС , срок окупаемости составит Т ≈ 3года
Экономические показатели средств автоматизации учета приведены в
таблице 4.2
Таблица 4.2
№№
Показатели
Обычный учет
1
Годовой экономический эффект,
сум/га
Стоимость
поливогектара,
сум/га/СИУЧ
Сумма капитальных вложений, сум
Количество учетчиков, чел
Рост производительности, %
Экономия фонда заработной платы.
Сум.
Срок окупаемости, год
-
Автоматизиро
ванный учет
2515
4600
3250
4
-
2 700 000
1
30
1 200 000
-
3
2
3
4
5
6
7
ВЫВОДЫ
1.Рекомендованный
автоматизированный
учет,
в
составе
технических средств измерения уровня и учета воды, позволяющих
проводить высокотехнологичный, научно-обоснованный нормированный
полив обеспечивает существенные экономические успехи по экономии
воды, снижению стоимости поливогектара, сокращению трудовых затрат,
повышение производительности труда.
2.
Количественные
экономические
показатели
прогнозируют
положительную возможность реализации на практике метода и технических
средств автоматизации учета воды.
Рекомендации по средствам регулирования
Анализ сущест вующих средств регулирования и учета воды, испо льзуемых при эксплуатации гидромелиоративных систем показал низкую
оснащенность
указанными
средствами
внутрихозяйственных
оросителей (ВО С) . В связи с че м в хозяйствах про исходит неэкономное
расходование оросительной воды, причем у одних хозяйств поливные
нормы могут превышаться в 1,5-2 раза, у других ее не хватает.
Такие колебания расходов оказывают большое отрицательное влияние на полив с/х культур (и в частности хлопчатника).
Поддержание заданных параметров уровня на ВОС с помощью автоматических злектрорегуляторов, используемых на системных ГМ объектах практически невозможно по причине значительных различий в
масштабах и технологических особенностях.
Проведенный обзор позволил рекомендовать следующую систему
упр авления (рис. ): Затвор 3 с винтовым подъемником и редуктором Р,
электродвигатель Д реверсивный пускатель П-1 (вверх) и П-2 (вниз),
усилитель У с выходными реле P-I и Р-2, уровнемер ПП, потенциометр
затвора
ПЗ, блок деления и умножения БДУ,
реле запуска БДУ Р-3,
орган сравнения и задатчик режимов водотока.
Уровнемер преобразует линейное изменение в напряжение
Uиз,
кот орое подает ся на потенциометр ПЗ, С потенциометра снимается
сигнал, характерный для данного положения затвора. При отсутствии
возмущения реле Р-3 отключено и его блок контакт подает напряжение
Uиз на орган сравнения, Задатчик также подает напряжение
Uзад.
на орган сравнения, необходимой величины.
При появлении возмущения на органе сравнения возникает рассогласование, включается реле Р-3. Напряжение Uиз подается на БДУ,
который проводит решение задачи через I с. после поступления сигнала
и
подает
его
на
орган
сравнения.
После
усиления
сигнала
рассогласования в клю ч аются в ыходные реле P-I или Р-2, что обеспе-
чивает включение привода затора.
Отличительной особенностью данной системы управления является
то, что
она обеспечивает решение задачи поддержания уровня до
окончания переходного процесса путем выдачи упреждающего сигнала.
Такой
сигнал
исключает
автоколебания
в
системе
управления,
обеспечивая единичное включение исполните л ьн о го механизма.
В состав схемы регулирования и измерения входят: первичный
преобразователь (датчик), задатчик, регулирующий блок с
релейным
субблоком, исполнительный механизм с электроприводом.
Таким
образом,
рекомендов ат ь
результаты
устройства
позволяющие поддерживать
для
исследований
в ну трихозяйственных
позволили
оросителей,
нео бходимый режим под а чи воды в
ороситель, вести автоматическое измерение уровня, а также учет
потребляемой воды.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа