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防爆型超声粘度仪的原理和结构研究

字号+ 作者: 来源: 2010-03-22 13:39 我要评论( )

仪器按规定程序分析油品粘度,测量结果由数码显示,同时备有4—20mA输出供记录用,是一种能连续自动检测石油粘度的在线质量分析仪表。

 

0 引言

笔者研制的防爆超声波粘度自动分析仪是按照GB 3836.1标准规定制成Q类防爆电气设备,可用于BT4组可燃性气体与空气形成爆炸混合物的场所,仪器整体防爆标志为ExdOBT4。该仪器适用于测量4.00120.00rnm2/s(50时)均匀液相油品,其准确性误差、重复性误差、再现性误差、稳定性误差与按GB188483规定方法测量数据对比不大于0.2mm2/s,每1600μs检测一次。仪器按规定程序分析油品粘度,测量结果由数码显示,同时备有420mA输出供记录用,是一种能连续自动检测石油粘度的在线质量分析仪表。

1 测量原理[1]

通过对原油、重油、润滑油、柴油及调合油进行大量试验,得出油品的粘度γt,超声波传播距离L,油品温度θ是超声波传播时间t(简称声时)的函数:

t=f(L,θ,γt)

对于绝大多数单一油品,当把温度θ恒定,声程L选定后,声时t在一定的范围内与粘度γt呈线性关系:

t=-kγt+q                     (1)

式中:q为常数项;k为比例系数,k=t/4γt; γt为粘度。

设测量的油品粘度的量程为γt1—γt2,其对应的超声波传播时间用t1t2表示,由式(1)可得下列关系:

 (t1t)/(t1t2)=(γt-γt1)/( γt1-γt2)               (2)

t=t1t,τ=t1t2 则式(2)可以改写为

t/τ=(γt-γt1)/( γt1-γt2)               (3)

(3)把测量油品的粘度问题,归纳为测量超声波在粘度为γt和γt1两种油品中传播时间的差值,γt1-γt2是人为规定的,其相应的τ值可由实验测定得出。现在如果测出t值根据式(3)就能计算出γt:

γt=γt1+( t/τ)( γt1-γt2)              (4)

当油品流进测量室并充满其中时(见图1),发射换能器按一定发射周期向油品发出超声波脉冲,遇到接收换能器被接收下来,测量电路测出超声波脉冲从发射到接收所需要的时间(声时t),排除其它因素对声时t的影响后,对声时t进行特定的变换及运算后就可知道油品的粘度值。在本仪器中,超声波脉冲的发射和接收,相应数据的处理及计算都由单片机控制完成。

1 测量室

2 测量控制电路

测量控制电路由电源、测温,A/D转换、加热器控制、超声发射接收、分频时间测量、单片机系统、键盘显示、D/A转换(420mA )、报警等电路组成。其电路框图如图2所示。

2 测量控制电路方框图

单片机系统电路由80C31,27C642817A等组成EPROM27C64用作系统程序存储器。EPROM2871A用作数据存储器,参数设置如不改变只须设置一次,以后开机不须重新设置。单片机系统电路为本仪器的核心电路,本仪器的各种操作以及数据处理都是由它控制完成。

键盘显示电路由82C79,74 HC138,74 HC245MC1413等组成,其中82079为键盘显示器专用芯片,用作键盘扫描和动态扫描显示;74HC138381译码器,用作键盘行线和显示器位选控制;74HC245用作显示器的选驱动用作显示器位选驱动。MC14131作位驱动。开关S1S4为面板上的设定按键,昆为复位按键。

加热器控制电路由单片机P1口来的P1.4端作温度控制,通过驱动电路MC1413和继电器控制加热器的

通断,达到控温的目的。P1.5端用作超温时切断加热电源的控制端,通过MC1413与油浴中的温敏继电器(KT1)相互控制加热器电源开关(K1),达到自动保温的目的。

超声发射和接收电路由分频器来的周期为1600PS的发射脉冲经MC1413倒相后,一路再经MC1413倒相送触发器74HC74起动计数定时器8X54,另一端驱动VMOSFU17RF932产生高压脉冲加在发射器G1上,产生发射超声波。同时接收器G2接收的超声脉冲送人放大器LM353放大后,再到比较器LM094同相端,与反相端的基准电压相比较,产生一输出正脉冲,去触发触发器74HC74关闭计数定时器82C54;同时产生一中断信号通知单片机计数完毕,进行处理。

分频和时间测量电路由74HC04,74HC74,82C54组成,82054是一块可编程计数定时器电路,内部的3个计数定时器L作方式为:T0工作干频率发生器方式,分频系数为800;T1工作于方波发生器方式,分频系数

10;T2工作于频率发生器方式,分频系数为65535。工作过程如下:由晶振产生的10MHz频率稳定的脉冲,经开关三极管3DK2倒相后送人反相器74HCO4,经反相后74HC04 输出,一路送82C54 CLK2端作计数脉冲,一路送74HC74作分频后送人82054 CLKI端,经10分频变为5OOkHz信号再送于82C54 CLKO端,经T0800分频后为1600μS的发射信号,送入发射电路。由发射电路来的复位信号加到触发器74HC742CP端,使触发器置0,关闭计数器几;同时该信号经74HCO4反相后去中断单片机80C31,通知单片机处理数据。单片机从T2中取出计数值,该值即为超声波从发射到接收之间的时差,将此时差代人相关的方程中,就可折算出对应的油品粘度值,并将其送入显示器显示,同时变换为对应的电流值输出。

D/A 转换和420mA电路由DAC0832,LM353,IRF932等组成。DAC 0832将数字量转换为模拟量。LM353为一双运放,其中一个用来将D/A0832的电流输出变为电压输出;另一个与VMOSFET IRF932、电阻R24R25等组成电路,调整D/A使电流输出为4mA,通过调整D/A转换的基准电压,可调整满刻度值。

测温电路由铂电阻、温度变送器,200Ω电阻组成。测温元件采用B1铂电阻,该元件灵敏度高,响应时间短,线性好。温度变送器的输出送入A/D电路,A/D电路由ICL7109等组成。调整A/D的基准电压,可使输出数字量直接为其温度值。单片机将此值与给定值相比较,并按一定的控制算法,确定是否要升温或降温,以达到恒温的目的。并将此时的温度值送入显示器显示。

报警电路由驱动器75451B ,蜂鸣器等组成,由单片机的P1.7端控制报警。当出现超温时,蜂鸣器发出连续的叫声,提醒操作人员仪器出故障了,并切断加热电源。同时,在油浴中装有一个l00的温敏继电器,

一旦油浴温度超过100℃,温敏继电器立即动作,使大功率继电器切断加热电源。

3 仪表结构

仪表由采样系统、油浴、测量室、恒温控制器、测量线路、防爆结构等组成,分为仪表箱和恒温油浴箱两部分。两部分上下一体,由4根立柱支撑仪表箱和油浴箱,均为防爆结构。仪表箱结构按GB 33836.283《爆炸性环境用防爆电气设备,隔爆型电气设备“d"》制成隔爆型。仪表箱的接线装置按防爆结构图的顺序安装引入电缆。电缆均为多股柔软电缆,不得使用硬芯或铝质电缆,且电缆外径分别为φ5mm,φ8mm,以保证旋紧压紧螺母后密封圈能夹紧电缆线,以确保防爆性能。

仪表箱引入电缆用橡胶密封圈,采用邵氏硬度为45553001橡胶制成,并能承受GB 3836.183(爆炸性环境用防爆用电气设备通用要求)29章规定的老化试验。接线柱为防爆零件,用户在使用维护过程中不得划伤、破坏隔爆面。仪表箱的电流表、显示器视窗玻璃均用钢化玻璃制作。所有金属防爆接合面应涂204- 1置换性防锈油。恒温油浴箱内的变压器油,既起换热作用,也是消弧性能良好的绝缘油。搅拌电机选用9O W防爆电机,防爆箱体接线盖内采用M15接地螺栓。

采样系统采用引流式结构,自工艺管线中引出,经过适当的油样处理后进人恒温油浴箱。进油油温必须低于恒温温度,否则进油应加冷却设备。被测油品在盘管中与恒温介质变压器油进行热交换,温度恒定后进入测量室。

测量室是个密闭容器,由换热盘管连通,直接置于恒温油浴中。油品不断流动进行连续测量。测量的电信号通过电缆传递到测量仪表箱。

超声波换能器装在测量室两端的盖头上,盖头是由声阻抗与换能晶片相近的合金铝材料制成,使得透气性能较好。晶片贴着铝盖头,铝盖头与晶片的接触面之间加人少许藕合剂,使晶片振动时发射的超声波有更多的能量穿过铝盖头进人油品中并能被接收换能器接收。

恒温控制器由装人油浴中的铂电阻温度计和仪表箱内的单片机控制电路组成。铂电阻温度计将温度信号送给单片机控制电路进行处理后,对加热器进行控制,使油浴精确恒温。

4 应用

该仪表已在上海炼油厂、锦西炼油厂、克拉玛依炼油厂、茂名炼油厂等数家炼油厂使用,效果良好

 

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