ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И УЧЕТА ВОДЫ НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИРРИГАЦИИ И МЕЛИОРАЦИИ

На правах рукописи

РАУПОВ ИСОМ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И 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

РЕФЕРАТ

Настоящая работа содержит 67 стр. машинописного текста, 17

рисунков, 7 таблиц. Работа является частью исследований кафедры

Автоматизации и управления технологическими процессами и

посвящена совершенствованию методов и технических средств

измерения уровня и учета воды на внутрихозяйственной

оросительной сети. В работе изложены исследования устройств и

метода учета воды через водовыпуск на основе гидростатического

датчика 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) воды на внутрихозяйственных оросителях. В

результате приводится состав приборов, обеспечивающих

технологический контроль - измерение, регистрацию и учет воды.

Вместе с тем определяются схемы, электрических соединений,

принятых для устройства. Также проводятся их лабораторные

испытания. По результатам работ предлагается состав 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 четыре главы. В первой главе изложены технологически условия

работы, во второй предложены исследования по определению

технических и эксплуатационных параметров гидростатического

датчика, третья глава посвящены изучению и разработке

принципиальных схем измерения и учета воды, на ВОС, четвертая –

экономическим прогнозам.
4

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...

ГЛАВА I Гидростатический преобразователь уровня, напора,

давления………………………………………………………...

1.1. Динамические погрешности гидростатического

преобразователя уровня и их снижение……………………….

1.2. Оценка влияния температуры на процесс измерения………..

1.3. Метод измерения для исключения температурной

погрешности…………………………………………………….

ВЫВОДЫ……………………………………………………….

ГЛАВА II Изучение технических и эксплуатационных показателей

гидростатического датчика………………………………..

2.1. Определение диапазона измерения и чувствительности

гидростатического датчика…………………………………….

2.2. Климатические факторы влияющие на работу датчика……..

В Ы В О Д Ы…………………………………………………………………

ГЛАВА III Разработка системы автоматизации учета

3.1. Разработка общих принципов построения средств

измерения и учета воды………………………………………..

3.2. Определение входных и выходных параметров элементов

средств измерения и учета воды………………………………

3.3. Рекомендации по разработке макета средств автоматизации

учета……………………………………………………………..

ВЫВОДЫ………………………………………………………..

ГЛАВА IV Прогнозируемые технико-экономические показатели….

ВЫВОДЫ…………………………………………………........................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………

В В Е Д Е Н И Е
5

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 фермера. Одно из таких

направлений– совершенствование 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 объект, подлежащий автоматизации, вплоть до

построения автоматизированной системы управления технологическим

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
6

организации гидрометрических постов. Проведенный обзор литературы

показал, что технологические процессы протекающие на

внутрихозяйственной оросительной сети 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. Эти исследования позволили

разработать определенные практические рекомендации по автоматизации

ВОС и средствам измерения и учета воды.

Цель работы. Исследования и совершенствование методов, средств

автоматизации измерения уровня и учета воды на внутрихозяйственной

оросительной сети.

Методы исследований. В работе использованы аналитические методы

исследования объектов автоматизации, измерения и учета воды с

привлечением принципов математического моделирования 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 автоматизированной системы управления технологическими

процессами (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.

Глава 1. Гидростатический преобразователь напора, уровня, давления
7

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 преобра-

зователи 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 .
8

Рис.1 Устройство и принцип работы преобразователя ДМ.

Это давление будет передано мембране, которая переместит связанный с ней

плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя. В

результате на выходе создается напряжение, являющееся 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 воз-

можность его применения в качестве датчика уровня на внутрихозяй-

ственных 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. Динамические погрешности гидростатического преобразователя

уровня и их снижение.

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 были:

1. Изучена физическая сущность возникновения погрешности измерения;

2. Оценена погрешность измерения в системе;
10

3. Изысканы рекомендации по полной или частичной компенсации

температурных погрешностей.

Как отмечалось выше, уровень воды при использовании

гидростатического датчика (рис.2) 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 эле-

ментом 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

tPP01 (t 0 )t (1)

где P0 - давление газа при 0°С;

- термический коэффициент давления ( =1/273 град.-1)

Pt - давление при t°С.

Следовательно, давление воздуха в исследуемой системе измерения

при нагревании увеличивается на величину
11

Рис. 2. Измерение уровня преобразователем при воздействии

на мембрану сжатого воздуха.

0 PP t (2)

где t - изменение температуры.

Величина t и вносит погрешность в измерение, которая может быть

оценена через изменяемый уровень для различных температур.

1.2. Оценка влияния температуры на процесс измерения.

Для оценки погрешности датчика, вносимый величиной t был собран

экспериментальный стенд (рис.3), 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.

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.

Результаты замеров сведены в таблицу 1 (для t1=18°С) и в таблицу 2

(для t2=28°С).
13

Рис.3. Экспериментальный стенд по оценке температурной погрешности

датчика
14

По полученным значениям средних величин

где Ui - выходной сигнал датчика в В с повторностью от i до n=5;

n - повторность,

построены характеристики (рис.4)

U при t1 =18°С

U при t2 =28°С

которые дают линейную зависимость между связанными величинами.

Оценка погрешности измерения производилась с расчетом средней

абсолютной ошибки U , среднеквадратического отклонения ,

коэффициента вариации v.

Для количественной оценки погрешности вносимой изменениями

температуры t =10°, был произведен сравнительный анализ результатов

эксперимента. С этой целью были сопоставлены средние арифметические

значения U1 и U2, определенные по замерам в 16 точках предыдущего

эксперимента.

Проведена статическая обработка величин U1 и U2 по указанной задаче и

результаты ее отражены в таблице 3.

Из таблицы видно, 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 U =0,017В.

Учитывая то, что установленный в дифманометре ДМИ преобразо-

ватель ПД гарантирует линейность выходной электрической характеристики

в пределах от 0 до 1 В для 80 см, была подсчитана «цена» одного см в

вольтах, которая составила 12,5 мВ.

Тогда ошибка определения уровня в размерности Н составит:

Таблица 1

Результаты тарировки датчика при t1 =18°С

№№

пп

Уровень в

м.

Показания прибоора в повторности

U v

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2 5 0,075 0,0800 0,060 0,07 0,080 0,073 0,005 6,846

3 10 0,130 0,140 0,135 0,130 0,140 0,135 0,004 2,965

4 15 0,210 0,200 0,200 0,205 0,210 0,207 0,005 2,415

5 20 0,270 0,275 0,275 0,270 0,275 0,273 0,002 0,732

6 25 0,320 0,320 0,325 0,325 0,320 0,322 0,002 0,621

7 30 0,396 0,390 0,390 0,395 0,390 0,392 0,002 0.6К

8 35 0,450 0,455 0,460 0,450 0,455 0,454 0,004 0,881

9 40 0,525 0,530 0,520 0,530 0,525 0,526 0,004 0.76С

10 45 0,590 0,585 0,585 0,590 0,585 0,587 0,002 0.34С

11 50 0,640 0,650 0,645 0,645 0,640 0,644 0,004 0,621

12 55 0,715 0,710 0,710 0,710 0,705 0,711 0,003 0,421

13 60 0,775 0,770 0,780 0,775 0,770 0,774 0,004 0,5К

14 65 0,810 0,815 0,815 0,810 0,815 0,813 0,002 0,246

15 70 0,910 0,990 0,905 0,905 0,900 0,904 0,004 0,442

16 75 0,965 0,960 0,970 0,960 0,975 0,966 0,006 0,621

Таблица 2

Результаты тарировки датчика при t2 =28°С

№№

пп

Уровень в

м.

Показания прибоора в повторности

U v

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 0 0,015 0,020 0,015 0,015 0,015 0,016 0,002 12,50

2 5 0,085 0,090 0,090 0,085 0,090 0,088 0,003 3,409

3 10 0,155 0,160 0,155 0,160 0,155 0,157 0,003 1,910

4 15 0,215 0;220 0,225 0,220 0,215 0,219 0,004 1,826

5 20 0,285 0,290 0,290 0,280 0,285 0,286 0,004 1,399

6 25 0,345 0,336 0,340 0,335 0,345 0,340 0,004 1,176

7 30 0,410 0,405 0,405 0,415 0,410 0,409 0,005 1,222

8 35 0,475 0,470 0,470 0,465 0,475 0,471 0,004 0,849

9 40 0,540 0,535 0,530 0,535 0,540 0,536 0,004 0,746

10 45 0,600 0,605 0,605 0,600 0,610 0,604 0,004 0,662

11 50 0,665 0,670 0,660 0,665 0,670 0,666 0,004 0,600

12 55 0,725 0,710 0,730 0,715 0,710 0,718 0,007 0,974

13 60 0,790 0,790 0,800 0,795 0,790 0,793 0,006 0,757

14 65 0,850 0,855 0,860 0,860 0,850 0;855 0,004 0,468

15 70 0,910 0,915 0,920 0,905 0,910 0,912 0,004 0,439

16 75 0,990 0,980 0,980 0,990 0,995 0,987 0,005 0,507

Рис. 4 Зависимости показаний датчика от температуры.

1,36 .

0,71080

см

где Н - ошибка определения уровня в см;

U - 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

1,7%

100

для диапазона измеряемого уровня Н = 80см.

1.3 Метод измерения для исключения температурной погрешности.

Для исключения указанной погрешности был предложен следующий принцип

измерения (рис.5)

Дифманометр 1 устанавливается над объектом измерения. К камере Б

дифманометра подключается измерительная трубка 2 и опускается в

контролируемый объект на уровень h, при этом внутренняя полость трубки 2 и

камера 5 дифманометра, к которой она подключена, полнострью залита водой.

Другая же камера А, сообщается с атмосферой.

При подключении таким образом - к устроенному датчику вольтметра

отмечается электрический сигнал, что говорит о возбуждении мембраны 3.

Последнее, как известно, является результатом разности давлений в камерах

дифманометра А и Б. Если в первой оно равно атмосферному (РАТМ), то во

второй определяется весом столба воды высотой Н–h, т.е. P2 g(H h).

Таблица 3.

№№

пп 1

U U2 U3 U0

1 2 3 4 5

1. 0 0,016 0,016 0,001

2. 0,073 0,088 0,015 0,002

3. 0,135 0,157 0,022 0,005

4. 0,207 0,219 0,012 0,005

5. 0,273 0,286 0,013 0,004

б. 0,322 0,340 0,018 0,001

7. 0,392 0,409 0,017 0,000

8. 0,454 0,471 0,017 0,000

9. 0,526 0,536 0,010 0,007

10. 0,587 0,604 0,017 0,000

И. 0,644 0,666 0,022 0,005

12. 0,711 0,718 0,007 0,010

13. 0,774 0,793 0,019 0,002

14. 0,813 0,855 0,022 0,004

15. 0,904 0,912 0,008 0,009

16. 0,966 0,987 0,021 0,003

U0 0,017 0,004

Рис.5 Измерение уровня гидростатическим датчиком при заполнении

трубки и камеры дифманометра водой.

Принимая во внимание, что векторы обоих давлений имеют одинаковое

направление, искомое давление, воздействующее на мембрану выражается:

P PАТМ g(H h) (.З)

где - 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:

Pg H h() (.4)

Если значение уровня h возрастает до величины h2, то давление Р должно

соответственно уменьшаться на величину g(H h) т.е. P gH gh2

или

Pg H h2()

Тогда для общего случая последнее выражение запишется, как

Pg H h() (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

Uf g(H h)

Таким образом, уровень, по разработанному принципу, определяется
22

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.

Таблица 4

Результаты тарировки датчика

hсм

Показания прибора U в B

ьтсонротвопU U

1 2 3

1 2 3 4 5 6

0 0,805 0,800 0,800 0,802 0,002

10 0,700 0,700 0,705 0,702 0,002

20 0,615 0,605 0,600 0,607 0,005

30 0,505 0,500 0,500 0,502 0,002

40 0,415 0,400 0,400 0,405 0,006

50 0,305 0,300 0,305 0,303 0,002

60 0,200 0,205 0,205 0,203 0,002

70 0,115 0,100 0,100 0,105 0,006

80 0,000 0,005 0,000 0,002 0,002

Рис. 6 Тарировочная характеристика датчика при его заливе

Для того, чтобы определить характер зависимости U=f(h) была произведена

тарировка датчика. Результаты тарирования сведены в таблицу 4. По

полученным значениям построена характеристика, дающая линейную

зависимость выходного сигнала от уровня (рис6).

Для выяснения вопроса влияния температуры на процесс изменения

гидростатическим датчиком, были проведены лабораторные испытания его. На

рис.7 показан стенд, на котором проводились испытания, содержащий емкость

I, датчик 2 с трубкой 3, опущенной в емкость, вторичный самопишущий прибор

4 для записи показаний датчика. Температурные показатели, при которых

работал датчик наносилось непосредственно на диаграммную ленту. Запись

производилась в течение 8,5 часовой работы датчика для уровня h=23 см.

(const). В течение этого времени температура воздуха колебалась от 17° до 34°,

при этом показания уровнемера, оставались стабильными.

Затем уровень поднялся до 68 см и датчик при таком уровне проработал 7

суток. Запись показаний датчика при этом оставалась неизменной.

Анализ проведенных экспериментальных работ позволил установить, что

температурные условия работы гидростатического датчика на процессе

измерения не отражаются. Теоретическое обоснование этого явления

заключается в слудеющем.

Как было выше установлено, на чувствительный элемент датчика-

мембрану воздействует весовое давление, определяемое величиной

P g H

Если принять, что величина H не изменяется, то давление будет зависить

только от удельного веса воды , т.к. g=const,

Как известно, величина реагирует на изменение температуры,

однако, в пределах рабочего диапазона, изменение температуры, которое не

превышает 50°, удельный вес воды изменяется мало, что дает возможность

считать , или

е0( 1)

где 0 - плотность воды при 0°С;

- температурный коэффициент расширения воды

СС ыдо в о С00(0 1 04)605 120301.

Таким образом в скобках величина близкая к единице и т.к. колебания

температуры в системе не превышает выше указанной, произведение

е 0( 1)можно считать постоянным.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования по автоматизации средств учета воды на

внутрихозяйственных оросителях включающих изучение средств

измерения, преобразования 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 атмосферное давление ( в пределах

разницы 1 атм.) на его работу не влияют,

2.Предложить и обосновать методику выбора преобразователей

давления ДМ, используемых в датчиках для различных диапазонов

измеряемого уровня.

Рис..7 Испытательный стенд датчика с залитой (водой) системой

измерения

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 необ-

ходимость уточнения климатических условий эксплуатации разрабо-

танного устройства.

2.1. Определение диапазона измерения и чувствительности

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 0-

20 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
28

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 –

таблица 5.

При проведении экспериментальных исследований по определению

диапазона измерений было установлено, что выбор дифманометров

необходимо производить с некоторым «запасом». Например, если из-

меряемый уровень составляет 0-200 см, то желательно использовать

дифманометр на 2500 кг/м2. Это обусловлено следующими причинами

Как уже говорилось выше, условия принципа измерения предполагают,

установку дифманометра над измеряемым уровнем. Для этого необходим

гидрометрический мостик.

Учитывая, что принятый диапазон измерения составляет h2 200 см,

максимальное возвышение выбранного дифманометра (2500 кг/м2) над

уровнем h2 не должно превышать 50 см. .В противном случае (если

гидрометрический мостик выше ГВmax более чем на 50 см) при

постоянстве h2 , что обеспечивается жесткостью крепления

дифманометра с трубкой, появляется нежелательное явление «потери

диапазона». При проведении экспериментальных работ была рассмотрена

возможность иного расположения датчика, когда необходимо

использовать

Таблица5.

Рис. 7 К определению диапазона измерения датчика.
31

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.

На рис. 8 показана схема установки датчика, обеспечивающая

контролирование принятого диапазона.

На расстоянии от канала, в пределах 2-2,5 м в открытой яме,

устанавливается дифманометр. Причем, нижнее основание прибора

должно находиться на горизонтали соответствующей максимальному

значению, которое может принимать уровень Н т.е. 250 см. От

дифманометра, под землей прокладывается трубная часть датчика (по

той же горизонтали), которая опускается в канал под уровень.

Причем, прокладка измерительной трубки возможна и под наклоном

по боковой части канала.

Таким образом, при определении диапазона измерения гидроста-

тического датчика необходимо учитывать два основных условия: первое

- рабочий перепад давлений дифманометра должен соответствовать

максимальным колебаниям уровня в канале и второе - выбор

дифманометра должен производиться с некоторым «запасом», величина

которого определяется принятой схемой установки датчика.

Вопрос определения диапазона измерения гидростатическим дат-

чиком 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 (рис. 9); состоящем из цилин-

дрической емкости 1, гидростатического датчика 2, стабилизированного

источника питания 3, цифрового ампервольтметра 4, класса точности

0,5.
32

Рис8. К определению диапазона измерения.
33

Измеряемый уровень можно визуально контролировать по стеклянной

трубке 5, сообщающейся с емкостью. Размеры емкости соответствовали

диапазону колебания уровня в нем от 0 до 200 см.

Проведенные испытания дали положительные результаты, Отра-

батывая принятый диапазон датчик показал высокую чувствитель-

ность, величина которой составила 5мВ\см.

2.2. Климатические факторы, влияющие на работу датчика.

Для определения климатических фактров (температуры, влажности,

атмосферного давления), влияющих на работу датчика были проведены

экспериментальные работы на стенде, представленным на рис 9. Кроме

указанных на рис.9 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, находящийся над уровнем, что приводило к

соответственному давлению, воздействующему на чувствительный

элемент устройства мембрану по закону:

Pf (H h)

Рис.9. К определению климатических факторов влияющих

на работу датчика.

где: P - давление, оказываемое на мембрану; H - высота столба воды

в трубке и камере над уровнем; h -измерительный уровень; -удельный

вес воды. Таким образом, давление P зависит от двух величин - уровня

h и удельного веса . Если предположить, что уровень может

оставаться постоянным, то давление Р будет определяться только

удельным весом воды , величина которого зависит от температуры.

В виду весьма незначительного изменения удельного веса при

варьировании температуры, показания датчика оставались

стабильными. Все изменения уровня снимались по цифровому

вольтметру .

Показания устройства измерения сравнивались с показаниями, сни-

маемыми по контрольной масштабной линейке. При этом были

получена полная аналогия полученных результатов с ошибкой +\-

0,5%.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования по автоматизации средств учета воды на

внутрихозяйственных оросителях включающих изучение средств

измерения, преобразования и регистрации при водопользовании

позволили:

1. Температура практически не вносит погрешности в измерения: в виду

пренебрежительно 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 не сказывается на работу

устройства в диапазоне от 0 до 10 м.

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 общих принципов построения средств измерения

и учета.

Важные проблемы точности измерения и учета воды, удобства в

получении информации и ее достоверности при внедрении автома-

тического 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 соору-

жений, принятый нами в настоящей работе.

При этом учитывалось, что внутрихозяйственные оросительные каналы

характеризуются неустойчивостью режима нижнего бьефа.

Поэтому известна формула имеющая вид:

где Q - расход воды;

2Qba g
37

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 тарировочная

зависимость Q f (H). 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 . 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, принци-

пиальное 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.
38

Вторичный прибор измеряет величину параметра по компенсацион-

ному методу с помощью компенсирующего ферро-динамического

преобразователя 2 (рис10), рамка которого кинематически связана с

конденсаторным двигателем 4, управляемым субблоком (усилителем)

4УНФ1-3. Обмотки возбуждения обоих преобразователей включены по-

следовательно на напряжение Uc и обтекаются общим током. При

этом на выходе преобразователей I и 2 индуктируется э.д.с. Е1 и Е2.

пропорциональные току питания и комплексным взаимным

индуктивностям М и 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 коэффи-

циенте 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.

Работа вторичного прибора ВФС-М, по записи показаний датчика,

одновременно определяет и действие встроенного в него преобразова-

теля ПГ, обеспечивающего выходной частный сигнал, используемый

для цифровой регистрации потребленной воды.

Принципиальная работа преобразователя ПГ осуществляется

следующим образом (рис.11).

Рис. 10.Схема работы вторичного прибора ВФС-М

Электродный блок преобразует поступательное движение плунжера

индуктивного датчика, кинематически связанного с конденсаторным

двигателем самописца ВФС-М в электрический частотный сигнал, с по-

мощью автогенератора. Автогенератор преобразователя представляет

собой охваченный положительной связью двухкаскадный усилитель

переменного напряжения, выполненный на транзисторах Т, и U

Сигнал с выхода автогенератора непосредственно подается на

буферный каскад, собранный на транзисторе .

Со вторичных обмоток трансформатора снимается выходной сигнал

практически прямоугольной формы.

Питается электрическая схема преобразователя от незаземленного

источника переменного тока напряжением, которое будучи выпрямлено

мостом СИ фильтруется, цепью состоящей из конденсаторов С8, С7 и

гасящего резистора 9 Выходным сигналом преобразователя ПГ

является частота от 4 до

8 кГц. В соответствии с принятой принципиальной схемой СИУЧ

цифровая регистрация суммарного расхода воды производится на

частотном интеграторе СЧ

Работа частотного сумматора СИ производится но следующему

принципу.

Рис. 11. Принципиальная схема частотного преобразователя ПГ.

Унифицированяый частотный сигнал (от частотного преобразователя

ПГ) поступает на входной формирователь ВФ (рис.12. В пересчетных

устройствах УП1 и УП II частота следования импульсов уменьшается

в 80 раз.

С выхода УП2 импульсы частотой 50Гц поступают на вычитатель В.

В качестве вычитаемых используются импульсы от формирователя Ф

, синхронизированные с частотой (50 Гц). Импульсы с разностной

частотой 0-50 Гц с выхода вычитателя подаются на оконечные каскады

пересчета УП3 и УП4 и далее на блок-формирователь БФ,

представляющий собой импульсный усилитель и ждущий

мультивибратор совместно с выпрямителем и фильтром.

Так как частота унифицированного входного сигнала линейно связана с

мгновенным значением параметра, то число импульсов, прошедших на

выход и отсчитанных счетчиком, соответствует приращению

суммарного количества за время измерения.

Коэффициент пересчета Kl оконечных каскадов УП-Ш и УП-1У

может изменяться и выбирается в зависимости от верхнего предела

измерения интегрируемой величины таким, чтобы отношения

максимального часового (минутного) расхода к числу срабатываний

БИС в час (минуту) при этом расходе численно равно 10 , где и т.д.

Тогда приращение числа на цифровых барабанчиках быстродей-

ствующего импульсного счетчика БИС, умноженное на 10 (единиц

количества), представляет собой приращение интеграла за время

измерения, выраженное в тех же единицах количества, в которых

выражен мгновенный расход воды.

Таким образом, изученные электрические и принципиальные схемы

приборов, входящих в состав разрабатываемой СИУЧ, позволили

предложить, на их базе принципиальную схему измерения и учета,

назначение элементов которой приводилось выше.

Рис 12. Схема счетчика импульсов СИ.

Рис. 13 Обобщенная блок-схема измерения и учета

Обобщенная блок-схема 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 преобразо-

вателя 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 (рис.13 ) на измерительные с записью и

регистрационные цифровые.

Коротким пунктиром на рис. 13 указывается комплектуемая часть

СИУЧ, в которую входят дифманометр мембранный ДМ, вторичный

прибор ВФС с встроенным ПГ. Входным сигналом для дифманометра
46

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 при-

бора к встроенному компенсирующему преобразователю ПФ-2, после

чего отрабатывается конденсаторным двигателем ВФС-М

Частотный преобразователь ПГ, как уже говорилось

кинематический 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 сос-

тавляет 12B.

На рис. 14 представлена последовательная схема работы СИУЧ,

снабженная электрическими входными и выходными параметрами ее

элементов.

Разработанные и изученные схемы СИУЧ прошли всестороннюю

лабораторную проверку, показав свою работоспособность. В рекомен-

дациях для использования предлагаемой СИУЧ надо сказать, что для их

нормальной работы необходимы температурные условия. Значение

температуры должно колебаться в пределах +5°, +55°С.

При описании работы вторичного прибора ВФС-М нами не

указывалось то, что он может снабжаться 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

Рис.14 Блок-схема измерения и регистрации показаний расхода

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, и поворачивает последний вокруг оси. Кулачок,

повернувшись через плоскую пружину, 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 в обратном порядке и кнопка

микропереключателя освобождается. Так же работают остальные

контактные группы.

Хомуты крепятся на оси так, что каждый из них можно поворачивать

независимо друг от друга, что создает удобство при настройке

контактов.

3.3. Рекомендации по разработке макета средств измерения и учета.

При разработке макета системы измерения ж учета воды в канале был

проведен аналитический обзор существующих устройств для измерения

уровня и расхода воды в канале.

Проанализировав конструктивное исполнение ряда систем изме-

рения уровня эксплуатируемых на открытой оросительной сети при

влиянии на них внешних климатических, механических и прочих воз-

действиях, были сделаны выводы и даны рекомендации по конструк-

тивному 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 соединений и попадания

человека под высокое напряжение. Необходимо также предусмотреть

такую конструкцию шкафа, чтобы посторонние лица не могли вскрыть

его и вывести из строя оборудование. В то же время конструкция

системы измерения должны быть удобной в обслуживании и при снятии

показаний приборов. Располагать систему измерения и учета жела-

тельно 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 серийно-

изготавливаемых приборов и оборудования для возможности повто-

рения конструкции в более крупных масштабах и для получения на

выходе унифицированного сигнала и дальнейшей его передачи на

центральный диспетчерский пункт. При изготовлении самой
50

конструкции действующего макета были учтены все

вышеперечисленные факторы. В основу конструкции был 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 (рис.15). Выше дифманометра на левой стенке шкафа

установлен автоматический выключатель марки АП -50 для подачи

питания в схему и защиты устройства от короткого замыкания.

Для размещения вторичного преобразователя ВФС-М,

записывающего на диаграммную 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.

15) 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 ДМ и частотным счетчиком СИ, согласно

технических описаний данных приборов. На все открытые части

вторичного прибора предусмотрены металлические защитные кожухи

для предотвращения поломки приборов посторонними лицами. Общий

вид действующего макета средств измерения и учета с входящими в

него приборами показан на рис.15.

Рис.15 Макет СИУЧ.

Рекомендации по средствам регулирования.

Анализ существующих средств регулирования и учета воды, исполь-

зуемых при эксплуатации гидромелиоративных систем показал низкую

оснащенность указанными средствами внутрихозяйственных

оросителей (ВОС). В связи с чем в хозяйствах происходит 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 влия-

ние на полив с/х культур (и в частности хлопчатника).

Поддержание заданных параметров уровня на ВОС с помощью авто-

матических злектрорегуляторов, используемых на системных ГМ объек-

тах практически невозможно по причине значительных различий в

масштабах и технологических особенностях.

Проведенный обзор позволил рекомендовать следующую систему

управления (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,

которое подается 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 рас-

согласование, 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 включаются выходные реле P-I или Р-2, что обеспе-
53

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 сиг-

нала. Такой сигнал исключает автоколебания в системе управления,

обеспечивая единичное включение исполнительного механизма.

Таким образом, результаты исследований позволили рекомендовать

устройства для внутрихозяйственных оросителей, позволяющие поддер-

живать необходимый режим подачи воды в ороситель, вести автома-

тическое измерение уровня, а также учет потребляемой воды.

Ниже приводится состав этих средств, их технические параметры,

варианты монтажа, правила эксплуатации, что явилось практическим

результатом исследований по автоматизации учета воды на ВОС.

Рис 16 Функциональная блок-схема контроля уровня и управления.

В состав схемы регулирования и измерения входят: первичный

преобразователь (датчик), задатчик, регулирующий блок с релейным

субблоком, исполнительный механизм с электроприводом.

Первичный преобразователь регулятора. В регуляторе используется

гидрастатический датчик - уровнемер представленный в

диссертационной работе. Уровнемер разработан на основе

использования серийного прибора ДМИ (мембранный дифманометр с

дифференциально-трансформаторным преобразователем). Сборка

уровнемера на объекте осуществляется следующим образом. К

«минусовой» камере дифманометра подключается трубка , длиной

соответствующей диапазону измеряемого уровня. Полость трубки и

«минусовой» камеры заполняется водой и свободный конец трубки

опускается в объект. Возникающее при этом давление, характеризуемое

весом столба ( H-h2 гл.2. ), воздействует на чувствительный элемент

уровнемера (мембрану) в зависимости от уровня воды в объекте. Это

воздействие изменяется и пропорционально ему изменяется выходной

сигнал уровнемера.

Для контроля показаний гидростатического уровнемера используется

вторичный самопишущий прибор ВФС. Дистанционная передача

сигнала уровнемера на ВФС осуществляется по схеме представленной

на рис. 8.

Монтаж и эксплуатация уровнемера При выборе места установки

дифманометра уровнемера необходимо соблюдать условия:

- прибор должен устанавливаться во взрывоопасных помеще

ниях;

- температура не должна выходить за пределы от + 5 до +55°С;

- прибор не должен подвергаться вибрациям, в противном слу-

чае его необходимо амортизировать;

-дифманометр крепится к основанию четырьмя болтами диаметром 10

мм;

- гидрометрическая трубка соединяется к «минусовой» камере
56

ДМИ на резьбе Трубн, 1/2п;

- длина гидрометрической трубки должна соответствовать диапа

зону измеряемого уровня;

- параметры линий связи: емкость не более 0,125 мкФ между

любой парой проводов; сопротивление каждого провода не более

20 Ом.

Технические данные: диапазон измеряемого уровня – 0,25, 0,40,

0,63, 1,0, 1,6, 2,5,.

2.Выходной сигнал - I-0-I В частотой 50 Гц. .

3 Класс точности - 1,5.

4.Предельное давление на мембрану - 6,3 Мн. (63 кгс/см2)

5.Температурные условия - +5 -55°С при влажности 90% .

6. Масса датчика без трубок - 11кг.

Счетное устройство. В качестве счетчика для учета воды ис-

пользуется частотный сумматор типа СЧ - щитовые показывающие

приборы с цифровым отсчетом. Применяются в автоматизированных

системах контроля, и управления для вычисления суммарных значений

различных параметров по их мгновенному значению. Входной сигнал на

СЧ поступает от частотного преобразователя ПГ , встроенного во

вторичный сомаписец ВФС.

Технические характеристики:

-входной сигнал - унифицированный частотный сигнал от 4 до

8 кГц (частота 4 кГц. воответствует нулевому, 8 кГц - максимальному

значению параметра);

- отсчет вычисленного значения производится на шести цифровых

барабанчиках с высотой цифр 6 мм;

- диапазон рабочих температур - от +5 до +55°С;

- погрешность суммирования - не превышает 0,1%;

- питание прибора - 12 В частотой 50 1ц;

- масса прибора - не более 2,3 кг.
57

Перечисленные выше устройства быть смонтированы в одном корпусе,

как показано на рис. 10.

Регулирующий блок. Устройством вырабатывающим сигнал рассог-

ласования на действие исполнительного механизма может служить

микропроцессор с блоком совместимости системы ATMTL Он

предназначен для применения в системах автоматического

регулирования технологических процессов с исполнительным

механизмом постоянной скорости для получения пропорционально-

интегрального (ПИ) закона регулирования.

Исполнительный механизм. В качестве исполнительного механизма

в регуляторе может быть использован винтовой электроподъемник

марки ЭB в составе затвора серии В-83. Подъемник снабжен

электрическим приводом асинхронным электродвигателем мощностью

0,270 кВт, Установленный редуктор позволяет развивать усилие до 1000

кг.

Все перечисленные выше устройства являются серийными и выпуска-

ются заводами:

1. Гидростатический уровнемер. Дифманометр ДМИ, - Завод КИП г.

Харьков. Украина.

2. Вторичный самописец ВФС - Завод КИП г. Харьков. Украина

3. Счетчик СЧ. - Завод КИД г. Харьков.Украина

4.Блок регулирующий микрпроцессор АТМЕЛ. -Московский завод

тепловой автоматики г. Москва.Россия

5.Исполнительный механизм. Винтовой подъемник ЭВ-1. - Ташкент

ский завод «Сувмаш» г. Ташкент.Узбекистан

6.Станция автоматического управления затвором ЯАА5407 – СП

«Узэлектроаппарат-Электрощит». Ташкент. Узбекистан.

Рис.17. Блок – схема регулирования.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования по автоматизации средств учета воды на

внутрихозяйственных оросителях включающих изучение средств

измерения, преобразования и регистрации при водопользовании

позволили:

1.Определить требования, предъявляемые к средствам учета и

регистрации уровня воды, используемых на внутрихозяйственной

оросительной сети. Разработать принципиальную схему измерения,

учета и регистрации уровня(расхода) воды, выполненную на базе

серийных приборов.

2.Разработать и предложить действующий макет измерения и уче

та и выработать рекомендации по его использованию в локальных

системах.

3.Разработать основные требования к устройствам измерения и учета

для их стыковки с устройствами управления приводов затворов

перегораживающих сооружений

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 ( ЗРП ЗМП ) А (4.1)

где: Э- годовой экономический эффект, сум;

ЗРП ,ЗМП -приведенные затраты единицы продукции (поливо-

гектар/СИУЧ);

А- объем производства (обслуживаемая площадь), га;
61

В соответствии с [9] вражение (4.1) приравнять:

Э ИРП ЕН КР.П ИМП ЕН КМП А (4.2)

где ИРП - издержки производства на поливогектар при обычном поливе;

Ен- нормативный коэффициент капитальных вложений;

КРП - удельные капитальные вложения без использования СИУЧ;

КНП - удельные капитальные вложения при использования СИУЧ

Удельные капитальные вложения для обычного учета будут составлять:

1,360

2700

ПG

РП

РП (4.3)

Удельные капитальные вложения при автоматизированном измерении

и учете будут составлять

2867

4,4214

2700000

MПG

РП

MП (4.4)

Издержки производства на поливогектар при автоматизированном учете

будут складываться из:

ИМП ИЗ И А ИР ИЭ И ПР (4.5)

где ИЗ - расходы на заработную плату;

И А- амортизационные отчисления на реновацию;

ИР- расходы на капитальный ремонт и текущий ремонт;

а также техническое обслуживание;

ИЭ-расхода на энергию;

И ПР - прочие расходы.

Определим последовательно вышеперечисленные показатели

365

4,4

11608

МЛ

ЛЗП

И (4.6)

где Л- оператор-гидротехник;

ЗП- ставка заработной платы в час.

Амортизационные отчисления на реновацию
62

0014,41000

000007214

100

ПQ

Ба

МЛ

(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

0014,41000

000007212

100

ПQ

Бр

МП

(4.8)

где р- процент отчислений на ремонт, а также на техническое обслуживание,

12%.

Расходы на электрическую энергию

9,2

4,4

0,581

МП

WЦ

И (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.

ИПР 0,1(ИЭ ИР ИЗ ) 44,8 (4.10)

Общие издержки ИМП составляют 3300 сум/га.

Таким образом экономический эффект от внедрения средств

автоматизации учета по выражению 5.2 составляет

Э 6240 0,1535 3300 0,15 2867 20 50300 сум

или 2515 сум/га. В процентом отношении снижение стоимости одного

поливогектара будет составлять:

001%66%

3300

2515

Стоимостные показатели экономической эффективности при всей

своей универсальности не могут характеризовать с достаточной полнотой

положительные стороны эксплуатации автоматизированного учета.

Важнейшим показателем эффективности новой техники является

производительность труда, которая определяется по формуле:
63

: 1 100

ИИ

ВК

(4.11)

где В- процент роста производительности труда;

SP1- обслуживаемая площадь за 1 смену в году, предшествующем

внедрению новой техники;

Иt - планируемое уменьшение численности операторов (учетчиков);

К- в формулу введен коэффициент освоения новой техники 0,4.

Подставляя значения получим

1 100 43%

8,75

4,54

0, 4

Для определения срока окупаемости необходимо определить показатель

прироста прибыли по выражению

74 71,71000 2300

РМП И ИQ (4.12)

тогда срок окупаемости капитальных вложений составит

1,3

2300

2902

Т г

Учитывая сезонность работы ВОС , срок окупаемости составит Т3года

Экономические показатели средств автоматизации учета приведены в

таблице 4.2 Таблица 4.2

№№ Показатели Обычный учет Автоматизиро

ванный учет

1 Годовой экономический эффект,

сум/га

- 2515

2 Стоимость поливогектара,

сум/га/СИУЧ

4600 3250

3 Сумма капитальных вложений, сум - 2 700 000

4 Количество учетчиков, чел 4 1

5 Рост производительности, % - 30

6 Экономия фонда заработной платы.

Сум.

1 200 000

7 Срок окупаемости, год - 3

В Ы В О Д Ы

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.

Техника безопасности при эксплуатации устройств и

систем автоматики.

Для заземления электроустановок систем автоматизации, как правило,

используют заземляющую сеть (заземляющее устройство) системы

электроснабжения и солового электрооборудования автоматизируемого

объекта. Исключение составляют некоторые специальные системы

автоматизации, которые по специфическим условиям работы или

требованиям заводов – изготовителей не допускают объединение с общими

заземляющими сетями. Для таких систем предусматривают отдельное

заземляющее устройство.

Заземляющие проводники в электроустановках систем автоматизации

разделяют на основные (магистральные) и ответвления от них к

электроприемникам (радиальные) (см.рис.). Магистральные проводники

предназначены для выполнения заземлений в питающей сети системы

электропитания КИПиА, а радиальные – в распределительной сети.

При помощи магистральных заземляющих проводников щиты и сборки

питания системы КИПиА соединяют с заземляющей сетью.

Радиальными проводниками заземляют (соединение с заземляющей

шиной или с болтами щитов и сборок питания КИПиА) отдельно стоящие и
65

сосредоточенно установленные на щитах и пультах электроприемники

систем автоматизации.

Электроустановок систем автоматизации необходимо заземлять в

помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных

установках при использовании приборов, аппаратов и других средств

автоматизации с напряжением в цепях питания, контроля, измерения,

управления, сигнализации и т.п. выше 36 переменного и 110 В постоянного

тока.

Заземлению подлежит металлические части электроустановок, обычно

не находящиеся под напряжением, но на которых может появиться опасное

для жизни напряжение при повреждении электрической изоляции

токоведущих частей (проводов, обмоток и т.д.).

Не требуется заземление:

приборов, аппаратов и других средств автоматизации, установленных

на заземленных щитах и пультах или вспомогательных конструкциях

отдельными проводниками, если обеспечивается надежный металлический

контакт (без краски, лака, ржавчины и т.п.) между корпусами

электроприемников и металлоконструкциями щитов и пультов;

корпусов электроприемников, изготовленных полностью из

неэлектропроводных материалов (пластмасса, карболит, стекло и др.);

отдельно стоящих щитов и пультов, предназначенных для установки

неэлектрических приборов и средств автоматизации (пневматических,

гидравлических, механических и т. п.). электрическую проводку
66

01921

VIV

III

3 3 3 3 3 3 3

Рис. Пример заземляющей сети системы автоматизации:

1 и 2 – магистральные и радиальные заземляющие проводники; 3 –

проводники дополнительного заземления; 4 – заземляющая сеть

автоматизируемого объекта; 5 – отдельно стоящий прибор; 6 – датчики,

первичные приборы и т.п.; 7 – электропривод задвижки (вентиля); 8 –

аппарат управления; 9 – места контактных металлических соединений

отдельных панелей щитов; 10 – рама щита; I – источник питания; II –

питающие шины; III – щит питания № 1; IV- щит КИПиА № 1; V – сборка

питания задвижек; VI – щит питания № 2.

стационарного освещения таких щитов нужно выполнять в заземленных

стальных трубах (вплоть до ввода в осветительную арматуру).

В качестве заземляющих проводников в сетях с глухозаземленной

нейтралью используют: нулевые проводники, стальные трубы

электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, отдельные жилы кабелей

и проводов. При этом запрещается применять нулевые проводники для

заземления однофазных электроприемников.
67

Проводимость заземляющих проводников должна составлять не менее

50 % проводимости фазных проводников и удовлетворять требованиям

надежной работы защитных аппаратов при однофазных коротких

замыканиях. Сечения заземляющих проводников в сетях постоянного тока

обычно принимают равными сечения питающих проводников. Минимально

допустимые сечения медных изолированных заземляющих проводников

должны быть 1, а с алюминиевой жилой 2,5 мм2. не допускается

использовать в качестве заземляющих проводников броню и свинцовые

оболочки кабелей, а также металлорукава, металлоконструкции коробов и

лотков, так как эти элементы сами подлежат заземлению.

Заземляющую сеть нужно выполнять в соответствии с требованиями

ПУЭ и СИ 102-76 «Инструкция по устройству сетей заземления и зануления

в электроустановках». Составные щиты и пульты, в которых обеспечен

надлежащий электрический контакт отдельных панелей (секций) между

собой и установочной рамой, разрешается заземлять только в одном месте.

Приборы, аппараты и средств автоматизации, подвергающиеся

вибрациям, частому демонтажу или установленные на движущихся частях,

необходимо заземлять при помощи гибких медных проводников. В местах

соединений должны быть приняты меры против ослабления контактов

(пружинные шайбы, контргайки и т. п.).

Короба с электропроводками систем автоматизации нужно

присоединять к сети заземления не менее чем в двух противоположных

местах. Ответвления коробов в конце следует заземлять дополнительно. В

местах сопряжения элементы коробов следует приваривать один к другому в

двух – трех точках.

В пожароопасных помещениях электроустановки систем

автоматизации заземляют, как в обычных установках.

Электроустановки во взрывоопасных помещениях и наружных

установках заземляют при всех напряжениях переменного и постоянного

тока.
68

Средства автоматизации, установленные на заземленных

металлических конструкциях (кроме щитов и пультов), нужно заземлять

отдельными проводниками независимо от наличия заземления конструкции,

на которой они размещены.

В качестве заземляющих проводников в одно – и двухфазных сетях

используют третьи жилы проводок и кабелей, а в трехфазных сетях –

четвертые жилы проводок и кабелей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования по автоматизации средств учета воды на

внутрихозяйственных оросителях включающих изучение средств

измерения, преобразования 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 %) на его работу не влияют.

Атмосферное давление практически не сказывается на работу

устройства в диапазоне от 0 до 10 м.

2.Предложить и обосновать методику выбора преобразователей

давления ДМ, используемых в датчиках для различных диапазонов

измеряемого уровня.

3.Определить требования, предъявляемые к средствам учета и

регистрации уровня воды, используемых на внутрихозяйственной

оросительной сети. Разработать 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 по его использованию в локальных

системах.

6.Разработать основные требования к устройствам измерения и учета

для их стыковки с устройствами управления приводов затворов

перегораживающих сооружений

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов.

Колос.,М. 2004. 304 с.

2. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Питер., С-П. 2005.

241 с.

3. Большаков В.Н. Применение средств авторегулирования на оросительных

системах. Илим., Бишкек. 2006. 130 с.

4. Маковский Э.Э. Передаточные функции объектов регулирования

ирригационных систем. Илим., Бишкек. 2001. 83 с.

5. Маковский Э.Э. Автоматизация гидротехнических сооружений (ГТС) в

системах регулирования расходов воды. Илим., Бишкек. 1992. 327 с.

6. Фельдбаум А.А., Бутковский Г.Г. Методы теории автоматического

управления. Наука. М., 2001, 230 с.

7. И.Раупов, Ф.Файзиев.Гидростатическое устройство контроля давления

жидкости. Сбоник трудов НПК «Современные проблемы водного и

сельского хозяйства». Ташкент. ТИИМ. 2009. 285 с.

8. Усманов Т.А. Автоматизация полива – фактор сбережения водных и

земельных ресурсов. Сборник трудов НПК молодых ученных

«Современные ресурсосберегающие технологии в земледелии». Ташкент.

ТГАУ. 2008. 151.с.

9. Усманов Т.А., Абдуллаева Д.А., Усманов А.М. Поливной участок как

модульная структура АСУТП. Сб. трудов НПК молодых ученных

«Современные проблемы использования земельно-водных ресурсов в

условиях дефицита воды и перехода к рыночной экономике». Ташкент.

ТИИМ. 2008. 356 с.

10. Кривовяз С.М. Механизация и районирование техники полива.

Узбекистан., Ташкент. 1966. 189 с.

11. Костяков А.Н. Основы мелиораций. Сельхозгиз. М. 1960. 662 с.

12. Ахмедов Х.А. Основные вопросы орошения и улучшения
71

водопользования. Узбекистан. Ташкент. 1973. 203 с.

13. Рожнов В.А., Тюменев Р.М. Электрические системы стабилизации уровня

воды в каналах. Илим., Бишкек. 1985. 278 с.

14. Клюев А.С. Наладка приборов и устройств технологического контроля.

Энергия, М., 1996. 412 с.

15. Лактаев Н.Т. Теоретическое обоснование технологии полива

сельскохозяйственных культур по бороздам. В сб. научных трудов

ВАСХНИЛ. Техника полива сельскохозяйственных культур. Колос, М.,

1982. 68 с.

16. Маковский Э.Э., Волчкова В.В. Динамика процессов в системах

каскадного регулирования расходов воды. Сб. «Автоматическое

регулирование расходов воды на ирригационных системах», Илим,

Фрунзе, 1990. 81 с.

17. Пак П.Б., Коханов В.В. Муканов В.М. Влияние исполнительных

механизмов ГТС на процесс регулирования уровня (расхода) воды. В сб.

Вопросы комплексной автоматизации мелиоративных систем.

Илим., Бишкек,. 1996. 78 с.

18. Хамадов И.Б. Бутырин М.В. Эксплуатационная гидрометрия в ирригации.

Колос, М., 1975, 206 с.

19. Fichbach P. Wittmuss H. Automatic surface irrigation. Irrigation Engineering

Maintenance. No 6, 2005.

20. New automatic channel flow regulator. Water and water engineering. June,

2006., London.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И УЧЕТА ВОДЫ НА ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ