CC BY
45
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ
УДК 631.22:628.8
Н.П. Воробьев, О.К. Никольский
ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СОЗДАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АММИАКА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК
Исследованы проблемы контроля аммиака в рабочей зоне на предприятиях агропромышленного комплекса в Алтайском крае и показана актуальность создания эффективных систем его контроля.
Произведен анализ методов и средств относительного измерения скорости ультразвука, позволивший разработать оптимальный метод, пригодный для контроля аммиака в рабочей зоне.
Произведен анализ разработанного метода ультразвукового контроля и сравнение его характеристик с другими методами ультразвукового контроля. Выявлены ограничения на применение разработанного метода ультразвукового контроля и области его применения.
Даны рекомендации по аппаратурной реализации разработанного метода ультразвукового контроля.
Произведена разработка структурной схемы электронного коммутатора измерительных каналов к ультразвуковому сигнализатору концентрации аммиака.
1. Обоснование выбора структурной схемы ультразвукового сигнализатора концентрации аммиака
Выбросы вредных веществ в атмосферу в расчете на каждого жителя Алтайского края в 1998 г. составили 77 кг вредных веществ [1]. К числу предприятий, обладающих потенциальной опасностью - возможностью нарушения экологического равновесия в Барнауле и его окрестностях, относится и АООТ «Барнаульский гормолкомбинат». Установленные около 30 лет назад в нем холодильные установки используют в качестве хладоагента агрессивный газ аммиак, применение которого требует создания системы контроля рабочей зоны. Это обусловлено еще и тем, что рядом с компрессорным цехом находятся две емкости аммиака, восполняющие расход его в системе, выброс из которых может породить катастрофическую ситуацию в прилегающих жилых массивах г. Барнаула, находящихся на недостаточной удаленности от хранилища аммиака.
С учетом того, что в Алтайском крае имеется свыше 250 предприятий, использующих в технологическом процессе аммиак, и большая часть из них входит в состав агропромышленного комплекса, вопрос о создании эффективных систем контроля концентрации аммиака становится актуальным. Применяющиеся для этой цели приборы контроля, как правило, недостаточно эффективны и быстро выходят из строя в результате воздействия на них агрессивной среды. Все это сделало необходимым изыскание более надежного метода и устройства для контроля за состоянием хладагента и рабочей зоны, закончившееся разработкой ультразвукового сигнализатора концентрации аммиака (УСКА) с электронным коммутатором измерительных каналов (автоматического сигнализатора концентрации аммиака АСКА-16).
Прибор УСКА предназначен для автоматического переключения измерительных каналов и сигнализации о предельно допустимой концентрации (ПДК) аммиака в рабочей зоне гормолкомбината. Прибор работает совместно с автоматическим сигнализатором концентрации аммиака АСКА-16, обеспечивающим контроль (ПДК) аммиака в 16 точках предприятия. УСКА, АСК-16 и комплект пьезоэлектрических преобразователей в совокупности образуют автоматизированную систему контроля концентрации аммиака.
При разработке приборов УСКА и АСКА-16 исходили из того, что известен способ относительного измерения скорости ультразвука [3]. Точность известного метода недостаточна при наличии таких сильных мультипликативных воздействий, как температурных, коррекции погрешности которых не происходит [4]. Известен способ относительного измерения скорости ультразвука [5]. Для него характерны ограничения на
применение в агрессивных средах в силу малой коррозионной стойкости скоростных ленточных микрофонов. Известен иной способ относительного измерения скорости ультразвука [6]. Точность измерений по этому способу снижается от влияния паразитного времени задержки в мембранах, звукопроводах и электронной схеме и тем больше, чем шире диапазон частот автоциркуляции. Для двух последних способов характерно также ограничение в быстродействии измерений, повышение которого неизбежно приводит к пропорциональному снижению точности измерений. Известен также способ [5]. Использование упомянутого способа ограничивает точность измерений за счет отсутствия эффективной компенсации мультипликативных погрешностей. Известен также способ измерения скорости ультразвука по работе [7]. Недостаток способа в том, что получение отношения частот автоциркуляций в контролируемом и эталонном каналах затруднено специфической формой представления информации и приводит к возникновению погрешностей от наличия паразитного времени задержки в мембранах и электронной схеме, которые в известной степени компенсированы в каждом отдельно взятом синхрокольце, а также к упомянутому ограничению быстродействия измерений. Известен способ измерения скорости ультразвука [8]. Известный способ характеризуется пониженной точностью, малым быстродействием и ограниченным диапазоном измерений.
Блок-схема устройства, разработанного нами и решающего упомянутую проблему, приведена на рисунке 1 [2]. На рисунке 2 приведены временные диаграммы сигналов для входов: 11 - для второго входа второго каскада 15 совпадений, 12 - для третьего входа каскада 15 совпадений, 1з - для первого входа второго каскада 15 совпадений, 14 - для входа счетчика 16, 15 - для входа делителя 14 частоты. Разрывы в изображении сигналов по диаграмме 15 соответствуют времени паразитной задержки сигнала в синхрокольце. и - напряжение.
Рис. 1. Структурная схема устройства к способу определения скорости ультразвука
При работе устройства в контролируемом канале устанавливается режим автоциркуляции электроакустических импульсов. В эталонном канале при этом происходит импульсное формирование и распространение сигналов.
Период Тк автоциркуляции электроакустических импульсов в контролируемом канале равен
ТК=ТК+&К’ (1)
где Т"к - время распространения акустического импульса в контролируемой среде, а Ак - паразитное время задержки в синхрокольце, равное
Ак=тэ+2тмк + тфк, (2)
где тэ - время задержки прохождения электрического сигнала в генераторе импульсов; 2тмк -время задержки сигнала в мембранах преобразователей контролируемого канала; тФК - время задержки сигнала в усилительно-формирующих цепях контролируемого канала.
Эталонный интервал Гя времени на выходе блока 10 в эталонном канале формируют согласно выражению
ТИ —Т'э+ Аэ-тэ- Азэ, (3)
где Т”э - время распространения акустического импульса в эталонной среде 5; - стабильное
время задержки, равное
^зэ=2тм+тф, (4)
где 2тм - время задержки сигнала в мембранах преобразователей 3 и 5 эталонного канала; тф -
время задержки сигнала в усилительно-формирующих цепях эталонного канала.
Паразитное время Дэ задержки в эталонном канале равно
Дэ = тэ + 2 тик + тф = тэ+ Азэ. (5)
Фиксированный интервал Аж времени в контролируемом канале (в блоке 2) определится соотношением Дж = 2тмк + тФК. (6)
Рис. 2. Временные диаграммы сигналов для входов устройства по рисунку 1
Контрольный интервал Т'к времени на выходе триггера 3 выразится в виде
Гк=тэ+Азк=Ак. (7)
При работе устройства импульсы с выхода генератора 12 поступают через каскад 13 совпадений на
вход делителя 14 частоты, на выходе которого образуется стабильный интервал Гс времени
Тс=КдТ0, (8)
где Кд - коэффициент деления делителя 14 частоты,
Г0 - период появления импульсов с генератора 12.
Поступление импульсов с выхода триггера 3 на второй вход каскада 13 прекращает поступление им-
пульсов с генератора 12 на вход делителя 14 на время Т'ш , равное
Т’ = Т’ Ы’
1 КВ 1 К1У X’
гдеА^ - число импульсов автоциркуляции за измерительный интервал времени, а следовательно,
увеличивает Тс на величину Т'ш .
Поступление импульсов с выхода триггера 10 на второй вход каскада 15 совпадений прекращает поступление импульсов с выхода генератора 12 через каскад 15 совпадений за измерительный интервал времени на вход счетчика 16 импульсов на время Тсв, равное
Тсз = <к-ТИУ.у, (9)
а следовательно, уменьшает Тс на величину ТСд.
Таким образом, выражение для дополнительного интервала Тд времени имеет вид
Т т' — т =т' Ы’ - € -Т (10)
18 1 КВ 1 Сд 1К1УХ 'К 1И^Х^
а измерительный интервал Т'д времени равен
Гд=Тс+Т„= К,Т„ + М[- €’К+ТИ-ТкI (11)
В выражение (11) входит неизвестная величина Ы'х. Поэтому для Ы'х запишем выражение, справедливость которого следует из того факта, что за интервал Тс + Т'ш должно появиться Ы'х интервалов длительностью Тк , то есть
Т +Т’
Ы'х = с +1кв ^ (12)
Тк
После подстановки в выражение (12) соответствующих значений для Тс, Т'ш , и Тк имеем
М' К>Т« +Тэ+Ьшы. (13)
х Т”к + Ак Г-+ ДА. х 1 '
После соответствующих преобразований выражение (13) приводится к виду
Ы’х=----------^-----------. (14)
Л. гт~гП А* » '
Т„ + Аг — г., - А,
К 1 ^К 1,Э ‘-‘■ЗК
Подстановка соотношения (14) в выражение (11) дает
кдт0Ск+тИ-т^
п = Кдт0 + (15)
Тк + ^к ~тэ - ^зк
После соответствующих подстановок для Т'к , ТИ и Тк и преобразований имеем
Од = ЁД • 1 + (+ V + ^ + Аг ~ ~ V ~ ~ ). (16)
0'ё + А^ —Tf— А^
Выражение (16) с учетом соотношений (4) и (6) приводится к виду
Од=ЁД^, (17)
^Ё
где Т'к - время распространения импульса в акустической среде контролируемого канала, Т'э - время распространения импульса в акустической среде эталонного канала.
Используя соотношение (17) и учитывая, что за интервал Т'д времени на вход счетчика 5 поступит
Ы'х импульсов с периодом Т0, имеем
'Т-'Г 'Т'Н
= (18)
^ о к
Следовательно, результат измерений по предложенному способу с учетом того, что время распространения акустических колебаний в среде и скорость звука обратно пропорциональны, может быть записан в виде
ЙЁ А
К=Ёд-^-, (19)
где Ск - скорость ультразвука в контролируемом канале; Сэ - скорость ультразвука в эталоном канале; Кд - коэффициент деления делителя 10.
Он не зависит от паразитного времени задержки в эталонном и измерительном каналах с точностью, определяемой точностью компенсации упомянутого времени задержки в каждом из каналов в отдельности. При этом появляется возможность увеличить быстродействие, а следовательно, дополнительно увеличить точность измерений за счет достаточно высокой частоты появления импульсов с генератора 12 (соответственно величины Т0) и величины Кд.
Так, если принять О0 =10“8й и учесть, что максимальное значение Г" , например, в газах, равно 1СИ с, то при Т"к = ЮГ" и К8 -108 по предложенному способу (формула (19)) скорость ультразвука определяется семизначным числом, в то время как при тех же условиях для известного способа измерения число значащих цифр составляет только четыре.
Диапазон возможных значений Г*. и Гя в предложенном способе, как и в работе [8], определяется из условия
ТК>ТИ (20)
и не должен нарушаться.
Относительная погрешность 5 дискретизации при учете квантования сигналов в контролируемом и эталонном каналах по предложенному способу может быть определена в виде
£ _ 2ЁдО0
О
ОЕ
■100%. (21)
Полагая, что примерно выполняется условие Т'к-Т"э-Тк, можно записать упрощенную формулу для определения 5:
§ _
Ое
•100%. (22)
На основе соотношения (22) для жидкостей имеем (табл. 1):
Таблица 1
5% Г 1 К Г 1 0 К
4х10-2 10-4 10-8 104
4х10-3 10-4 10-9 105
На основе соотношения (22) для газов имеем (табл. 2):
Таблица 2
£,% Г 1 К Г 1 0 К
4х10-3 10-3 10-8 105
4х10-5 10-3 10-9 105
2. Разработка электронного коммутатора измерительных каналов к ультразвуковому сигнализатору концентрации аммиака
Принцип действия прибора основан на использовании аналоговых коммутаторов с цифровым управлением для коммутации измерительных каналов пьезоэлектрических преобразователей и сравнении данных, поступающих от измерительного прибора УСКА, с заданной уставкой, при использовании цифровых четырехразрядных компараторов. Структурная схема автоматического сигнализатора концентрации аммиака приведена на рисунке.
Блок управления А1 преобразует сигнал синхронизации прибора УСКА в двоичный четырехразрядный цифровой код шины управления, посредством которой он управляет блоком коммутаторов А4, блоком оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) А2 и блоком дешифраторов А3. Блок коммутаторов А4 в соответствии с сигналами на шине управления коммутирует вход одного из эталонных и контрольных каналов пьезопреобразователей на соответствующие выходы, соединенные с измерительным прибором УСКА. Блок ОЗУ А2 в соответствии с сигналами на шине управления подготавливает соответствующую ячейку памяти на
прием информации от устройства сравнения. Блок дешифраторов А3 преобразует двоичный четырехразрядный цифровой код шины управления в десятичное число для контроля номера подключенного к измерительному прибору канала и передает сигналы на блок индикации А9. На устройство сравнения (блоки А5 и А6) поступают анализируемые данные (А) от измерительного прибора УСКА и данные уставки сигнализации (В) в двадцатиразрядном двоично-десятичном коде. В блоках А5 и А6 происходит сравнение данных А с уставкой В и при А>В на выходе блока А6 появляется сигнал высокого логического уровня, подаваемый на вход блока ОЗУ А2, где происходит запись информации и передача соответствующего сигнала на блок сигнализации А8. В случае А<В записи в ОЗУ не происходит. В приборе предусмотрен выход на внешние устройства автоматики Х3 и на ЭВМ, Х4. При использовании ЭВМ отпадает необходимость в блоках: ОЗУ (А2), сигнализации (А8), дешифрации (А3) и индикации (А9), которые реализуются на ЭВМ программно.
Рис. 2. Структурная схема автоматического сигнализатора концентрации аммиака
Диаграмма логических уровней основных узлов прибора представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Временная диаграмма логических уровней основных узлов автоматического сигнализатора концентрации аммиака: синхр. - сигнал синхронизации, поступающий от прибора УСКА; 1,2,4,8 - сигналы шины управления; А>В - выходной сигнал устройства сравнения при данных, поступающих от прибора УСКА, превышающих уставку; Ти - время измерений в одном канале; Тс - время приема и обработки синхронизируемых данных
Выводы
Исследованы проблемы контроля аммиака в рабочей зоне на предприятиях агропромышленного комплекса в Алтайском крае и показана актуальность создания эффективных систем его контроля.
Произведен анализ методов и средств относительного измерения скорости ультразвука, позволивший разработать оптимальный метод, пригодный для контроля аммиака в рабочей зоне.
Произведен анализ разработанного метода ультразвукового контроля и сравнение его характеристик с другими методами ультразвукового контроля.
Выявлены ограничения на применение разработанного метода ультразвукового контроля и области его применения.
Даны рекомендации по аппаратурной реализации разработанного метода ультразвукового контроля. Произведена разработка структурной схемы электронного коммутатора измерительных каналов к ультразвуковому сигнализатору концентрации аммиака.
Литература
1. Давыдова, А.И. Охрана окружающей среды в Алтайском крае / А.И. Давыдова. - М.: Недра, 1998. - 154 с.
2. А.с. 894551 СССР, МКИ G 01 N 29/00. Способ определения скорости ультразвука / Н.П. Воробьев. № 2788778/18-28; Заявл. 02.07.79. Опубл. в БИ, 1981. № 48.
3. Носов, В.А. Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры / В.А. Носов. - М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.
4. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. / А.М. Туричин [и др.]. -Л.: Энергия, 1975. - С. 39.
5. Новицкий, П.В. Цифровые приборы с частотными датчиками / П.В. Новицкий, В.Г. Кнорринг, В.С. Гутни-ков. - Л.: Энергия, 1970. - 424 с.
6. Бражников, Н.И. Ультразвуковые методы / Н.И. Бражников. - М., Л.: Энергия, 1965. - 252 с.
7. А.с. 571743 СССР, МКИ G 01 N 29/00. Ультразвуковой анализатор сред /Н.П. Воробьев, Л.М. Ананьев, В.М. Морозов, В.И. Янковский. № 2356795/10, Заявл. 03.05.76. Опубл. в БИ. 1977. № 33.
8. А.с. 605163 СССР, МКИ G 01 N 29/02. Опубл. в БИ. - 1976. - № 3.
9. А.с. 1617303 СССР, МКИ G 01 H 5/00. Устройство для измерения скорости ультразвука / Н.П. Воробьев, В.А. Таскин, В.В. Гребенюк. № 4600073/25-28; Заявл. 31.10.88. Опубл. в БИ. - 1990. - № 48.
