液位检测与控制

1、青岛理工大学检测技术与控制仪表课程设计报告题目名称：液位检测与控制试验系统设计专业 _ 自动化_班级 09级 2班_姓名 _ 吴兆锋_ 学号_200928111_ 时间_2011_年_12_月_25_日指导教师 刘素花_目 录封 面1目 录2课程任务 3课程名称、实验目的及要求4实验步骤 5 1.系统结构设计 52、过程仪表选择 5(1)液位变送器 6(2)调节器 9(3)调节阀 11(4)变频器 13(5)水泵 15设计总结 17附录：参考文献 18液位检测与控制试验系统设计设 计 任 务1、 设计参数上位水箱尺寸：800×500×600mm；上位水箱离地200mm安装，

2、通过直径为20mm的PVC管道与其它设备相连，设备离地30mm，要求测量水箱的液位。测量误差不超过液位高度示值的±1mm。2、设计要求（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；（2） 通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。课程设计评语设计报告成绩（30%）设计过程成绩（30%）答辩成绩（40%）总成绩液位检测与控制试验系统设计摘要：本系统设计了一种基于AT89

3、C52的水箱液位控制系统。由液位设定值进行相应计算得变频器的频率，控制水泵的输入电压，从而控制进入水箱的液体量。液位传感器采集液位数据进行AD转换后，送入单片机与设定的液位进行比较得到误差后再进行DA转换。并由此误差进行相应的PID调节后作用于调节阀控制液体进入水箱的速度，进而控制液体流出水箱的速度。由以上进行水箱的液位控制。本次试验模拟了水箱水位的检测与控制系统，在整个设计过程中，完成了用PID算法对水箱液位的控制，在上水箱液位PID控制和，取得了满意的曲线。其次是过程控制对象特性的确定和PID算法的研究，整个控制系统的组成，包括检测装置和执行机构的选择。利用液体静力学原理测量液位或水深，是

4、近代压力传感器的一种重要应用。利用当代最先进的微机械加工技术制作的高灵敏度、高精度硅压阻力敏感元件作为液位传感器的心脏，精密的温度补偿技术，辅之一带通气导管的专用电缆及专门的水密封技术，既保证了侵入式传感器的水密封，又使得参考压力腔与环境气压相通。通过对接触介质的各种材料包括敏感元件、壳体、电缆、护管等材料的选择、试验与设计，设计出正确的控制系统。关键词：调节器、调节阀、变频器、水泵，液位*实验目的：通过设计本系统进一步了解各种过程器件的各种性能特征以及使用的场合与条件，更加清楚地知道各种仪表在自动化过程控制中的应用。通过本次独立的完成系统设计培养一种严密、整体的思维能力，以及独立完成各种工作

5、的能力。*实验要求（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；（2） 通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求。*实验步骤一、 系统结构设计1、 控制方案本系统由液位设定值进行相应计算得变频器的频率，控制水泵的输入电压，从而控制进入水箱的液体量。液位传感器采集液位数据进行AD转换后，送入单片机与设定的液位进行比较得到误差后再进行DA转换。并由此误差进行相应的PID调节后作用于调

6、节阀控制液体进入水箱的速度，进而控制液体流出水箱的速度。由以上进行水箱的液位控制。2、系统总体框图二、过程仪表的选择1、液位传感器根据设计参数，水箱高度为600mm，测量误差不超过液位高度示值的±1mm。假设所设定的液位高度为100mm500mm,由误差的计算式得（2/100=2%；2/500=0.4%），所以计算得到所需传感器的误差大致为2%0.4%，即只要小于2%即可满足要求。且设计题目中说明该传感器通过直径为20mm的PVC管道与其它设备相连，通过查阅大量的资料选择了扩散硅（进口芯片）液位变送器AOB136。静压测量原理：当传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压

7、力公式为：=.g.H + Po式中：P： 液位计迎液面所受压力             ：  被测液体密度g： 重力加速度（调试时按照9.8015）  Po： 液面上大气压H：  传感器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深。

8、选择理由AOB136液位变送器采用先进电路处理技术，性能稳定、高灵敏度；多种量程，最大可测200m(水柱压力)；采用316L不锈钢隔离膜片，适用于多种测量介质；配置灵活，根据需要可选择不同配置；一体式、分体式可选；反极性和过电压保护；抗冲击、防雷击设计；激光调阻温度补偿，零点、量程可现场调节；范围宽抗腐蚀，适于多种介质；过载及抗干扰能力强，性能稳定。采用高性能的扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件，经过高可靠性的放大处理电路及精密温度补偿，将被测介质的表压或绝压转换为标准的电压或电流信号。本产品体积小巧，使用安装方便，直接投入水中即可测量出变送器末端到液面的液位高度特点采用扩散硅敏感元件，测量精

9、确，稳定性好变送器探头采用全不锈钢密封结构，内充硅油，传感器芯片与介质完全隔离，可测量多种介质的液位外部可直接调整零点和满度结构紧凑坚固，安装使用方便可配数字显示器做现场输出指示主要技术指标：测量范围：0.1100m测量精度：±0.2%FS、±0.5%FS输出信号：420 mA或15VDC过载能力：23倍量程温度漂移：0.02%FS/供电电源：1836VDA介质温度：-2080环境温度：-3080环境湿度：<85%RH 型号说明 型谱说明A0B-136 投入式液位变送器防爆形式P 普通型B 本安型F 隔爆型连接方式L1

10、 导气电缆连接L2 不锈钢管连接，最长2.5mL3 特殊连接输出信号A 420 m ADCV 15VDCZ 指定信号显示方式M 0100%模拟显示E 数字表头显示C 液晶表头显示测量范围（）（）内记入量程 电气连接两线制420 mA连接红线： 电源 ；  绿线： 输出实物图.应用工业现场液位测量与控制、城市供水及污水处理、石油、化工、电厂、水文监测、水库、大坝、水电建设等领域的液位的测量与控制。2、 调节器调节器即控制器，可编程调节器属于调节器的

11、一种，可编程调节器又称数字调节器或单回路调节器。它是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序（编程）的方法来实现，故称为可编程调节器。调节器（单片机）的选择51单片机简单实用，本次选择51单片机调节器外围电路AT89C51调节阀YDF01液晶显示液位液位变送器变频器（给定频率）水泵水箱键盘显示电路 键盘显示电路主要是实现液位设定值的输入和显示实时液位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统采用4行×4列的16键行列式键

12、盘，占用单片机P1口的8个端口。显示采用12864液晶显示当前液位测量值。AD、DA转换电路及控制输出    AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。图6是AD转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到AD转换器。DA转换器则采用DAC0832.程序流程图如下所示：3、调节阀调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流

13、体流量的装置。调节阀由执行机构和阀（调节机构）组成。执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其他调节机构的装置。信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的任意组合。 阀是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到调节流量的目的。以压缩空气为动力源的调节阀称为气动调节阀；以电为动力源的调节阀则为电动调节阀。这两种是用得最多的调节阀。此外，还有液动调节阀、智能阀、调节阀等。电动调节阀与气动调节阀的对比电动调节阀优点是结构简单，应用范围广，调节过程可控性好，行程准确。缺点是可能产生电火花，或者静电火花。气动调节阀的优点是动作迅

14、速，能够快速的完成调节命令，且安全，不会产生电火花。但缺点是控制复杂，造价高，结构复杂。所以调节上大多都使用的是电动阀，但是在某些要求快速关启的关路上和油管，易燃易爆气体，化工危险品管路上还是使用气动阀。且因为单片机直接输出电气信号，根据整个系统设计的需要电动调节阀更为合适。所选产品YDF01实物图：概述YDF01系列直行程智能一体化电动执行机构，体积小、重量轻、功能强、智能操作器内装、操作方便。PSL系列直行程电动执行机构最大行程达到100mm，最大推力可达到25KN，适合于直线动作的阀门开关或调节控制。特点一体化结构设计，执行器选用铸铝支架及塑料外壳，体积小、重量轻 选用永磁同步电机，并带

15、有磁滞离合机构，具有可靠的自我保护功能。功能模块式结构设计，通过不同可选功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同应用要求。适合多种控制信号：增量（浮点）、电压（010V）、电流（420mA）具有010V或420mA反馈信号（选配） 传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高、噪声低、寿命长、稳定可靠、无需加油，多种运行速度，可满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性阀体有螺纹连接和法兰连接两种，安装方便，其构造符合IEC国际标准 驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速同步电机，运行平稳。具有体积小、力矩大、抗堵转、控制精度高等特点。功耗低、输出力大、噪音小阀体有铸铜、铸铁、铸钢、

16、不锈钢多种材质可供选择，以适合不同工作介质及温度的要求阀位反馈元件采用全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠。电器部件布线严谨并与传动部件完全隔离，提高了执行机构运行性的可靠。结构YDF01主要是由相互隔离的电器控制部分和齿轮传动部分组成。电机作为连接两隔离部分的中间部件，电机按控制要求输出转矩，通过多极正齿轮传递到梯形丝杆上，丝杆通过杆螺纹变换转矩为推力。此杆螺纹能自锁，并且将直线行程通过与阀门的适配器传递到阀杆。执行机构出轴带有一个防止转动的止转销，出轴的径向锁定装置可以作为位置指示器。锁定装置连有一个连杆，连杆随输出

17、轴同步运行，通过与连杆连接的线路板将输出轴位移转换成电信号，提供给伺服放大器做为比较信号和阀位反馈输出，同时执行机构的行程也可由开关板上的两个主限位开关来限制，并由两个机械限位档块来调整限定位置。4、变频器 变频器是利用电力半导体器件将工频电源转换成另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能变频器变频调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直

18、流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。    交-直部分整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。变频器分类变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。因为我们使用的是电压源供电，所以使用

19、电压型。泵用变频器调速控制原理水泵的负载性质是平方递减转矩型,有下列关系:水泵的流量Q与转速n成正比;扬程H与转速n的三次方成正比;电动机的转速n与电源频率F成正比.因此改变电动机电源频率,可改变电机即水泵的转速,从而达到调节给水流量和水泵的扬程的目的.水泵专用型针对水泵恒压节能控制设计 内置PID和先进的节能软件 可实现一托一分时段多点压力定时功能 高效节能，节电效果20%60%(根据实际工况而定) 简便管理，安全保护，实现自动化控制 延长设备寿命、保护电网稳定、保减磨损、降低故障率 实现软起,制动功能 实物：产品图简述： 高防护等级 IP54内置PID功能，外加压力传感器，即可实现闭环控制

20、傻瓜式调试方法，方便使用具备水泵电机保护功能停电后自动恢复和低水位保护功能零流量自动停机功能，用户不用水的情况下可自动停机，节能环保应用场合：家庭、小高层、别墅、宾馆、学校、果园、农场、工厂等需要恒压供水或需要加压的场所电气特性电压： 220V/380V功率：220V380V0.4KW0.75KW1.5KW2.2KW0.75KW1.5KW2.2KW计算与选择实验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大扬程应大于600+200-30=770mm，为保有一定裕量，选择2.2KW三晶杜威-IQ 变频器5、水泵定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力

21、, 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。分类：根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。工作原理：1 、容积式泵: 利用工作腔容积周期变化来输送液体。 2 、叶片泵 : 利用叶片和液体相互作用来输送液体选择：实验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大扬程应大于600+200-30=770mm，扬程要高出实际使用高度20%，为924mm，根据这一要求及其它电器、安全等要求，选择普兰迪2202的水泵，如下图所示：实物性能指标电压：12V 24V   电流：1.3-1.8A左右   最大压力：1.0Mpa  平时压力：0.3-0.5 Mpa， 工作时间：可以连续工作2500个小时流量：1L-3.5L/min    外型尺寸：160X100X60mm    最大吸程2米，扬程可