Измерения технологических параметров 

Здравствуйте. Мы продолжаем изучение предмета. Сегодняшней темой является проблема измерения каких-либо технологических параметров. Что меряется, как меряется, на каких принципах происходит процесс измерения, чем регламентируется и чем исполняется. На эти вопросы постараемся получить фундаментальное представление. Тема базируется на основном понятии «государственная система промышленных приборов и средств автоматизации», сокращенно ГСП – «государственная система приборов». ГСП используется в целях наиболее экономически целесообразного решения проблемы обеспечения техническими средствами строящиеся и функционирующие АСУТП.

ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП (слайд 2) являются:

1. Блочно-модульный принцип конструкции, характеризующийся наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости.
2. Унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания. Унификация сигналов измерительной информации обеспечивает обмен информацией, дистанционную связь между устройствами управления, передачу результатов измерения от датчиков до средств контроля и управления, а также управляющих сигналов к исполнительным механизмам.

По роду энергии, используемой для питания устройств и форм сигнала приборы, входящие в ГСП, бывают следующих типов (слайд 3):

• 1) гидравлические
• 2) пневматические
• 3) электрические
• 4) работающие без источников вспомогательной энергии.

Приборы и средства автоматизации, входящие в ГСП делятся на следующие группы (слайд 4).

Группа 1 – группа устройств получения измерительной информации. В нее входят первичные измерительные преобразователи (датчики), измерительные приборы и устройства, формирующие унифицированный сигнал. Ввиду большого разнообразия контролируемых и измеряемых параметров, а также огромного количества вариантов конструктивного исполнения, эта группа самая многочисленная.

Группа 2 – преобразователи сигналов и кодов, коммутаторы измерительных цепей, шифраторы и дешифраторы, согласовательные устройства, а также устройства дистанционной передачи, телеизмерения, телесигнализации и телеуправления.

Группа 3 – центральная часть ГСП. В нее входят технические средства, предназначенные для формальной и содержательной обработки измерительной информации и формирования управляющих воздействий: анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические и запоминающие устройства, автоматические регуляторы, а также микропроцессоры, мини- и микроЭВМ. В функциональном отношении эта группа является самой сложной. Здесь реализуются все алгоритмы регулирования и управления: от простейших задач стабилизации до автоматизации управления предприятиями или даже отраслями.

Группа 4 – исполнительные устройства. Электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные исполнительные механизмы, усилители мощности, позиционеры и вспомогательные устройства к ним, а также регулирующие органы, которые в ряде случаев могут являться составной частью основного технологического оборудования.

Перейдем к процессу измерения. Основными определениями и понятиями, используемыми в этом процессе, являются (слайды 5 и 6):

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми, прямым измерениям.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения (например сила Архимеда)(.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений (например погружение).

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства, например линейка.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например сажень, косая сажень).

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (напольные весы).

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины (те же весы, но пружинные).

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме (цифровой вольтметр).

Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний.

Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины (линейка в сантиметрах и миллиметрах, градусник и спиртомер в градусах).

Градуировочная характеристика средства измерений – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечны и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на  выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Перейдем к неразрывным понятиям погрешности и точности измерений (слайд 7).

Классификация погрешностей возникающих в процессе их проведения может быть следующей.

Абсолютная погрешность измерения - разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности, измерения к истинному значению измеряемой величины.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Систематическая погрешность может быть исключена с помощью поправки.

Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины случайным образом.

Грубая погрешность измерения - погрешность, значение которой существенно выше ожидаемой.

На слайде 8 показаны формулы, по которым определяются некоторые виды погрешностей.

Виды погрешностей:

1) абсолютные:    DХ = Х - Х₀,

            где Х - измеренное значение параметра, Х₀ - истинное значение.

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

2) относительные:  (выраженные в процентах);

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах.

3) приведенные: ,

            где Х_min и Х_max - минимальное и максимальное значения измеряемой величины.

            Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:

.

В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и рабочие.

В зависимости от последовательности причины возникновения различают следующие виды погрешностей (слайд 9).

• Инструментальная погрешность - составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств. Эти погрешности определяются качеством изготовлении самих измерительных приборов. Возьмите железную линейку и растяните ее, что получится?
• Погрешность метода измерения - составляющая погрешности измерения, вызванная несовершенством метода измерений. Лучший пример – «измерение на глазок»
• Погрешность настройки - составляющая погрешности измерения, возникающая из-за несовершенства осуществления процесса настройки.
• Погрешность отсчёта - составляющая погрешности измерения, вызванная недостаточно точным считыванием показаний средств измерений. Погрешность возникает из-за видимого изменения относительных положений отметок шкалы вследствие перемещения глаза наблюдателя - погрешность параллакса. Пример толстая линейка, где риски на поверхности не совпадают по высоте с измеряемыми на поверхности линиями.
• Погрешность поверки - составляющая погрешности измерений, являющаяся следствием несовершенства поверки средств измерений. Радар измерения скорости обязан проводить поверку каждую неделю путем измерения эталонного сигнала. Если по каким-либо причинам эталонный сигнал будет искажен, то и поверяемый прибор будет неправильно настроен.
• Погрешность средства измерения, возникающая при использовании его в нормальных условиях, когда влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называют основной.
• Если значение влияющей величины выходит за пределы нормальной области значений, появляетсядополнительная погрешность.

Перейдем к классификации контрольно-измерительных приборов (слайд 10)

            На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и другие измерения.

            При измерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин.

            Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L, количество вещества Q и т.д.).

            Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяют на приборы:

                        а) непосредственной оценки;

                        б) сравнения.

            По характеру измерения: стационарные и переносные.

            По способу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие.

Перейдем к изучению непосредственно разного рода датчиков (слайд 11). Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи.

Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и др. датчики).

Параметрические  - реостатные ,тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии.

Выходным сигналом механических первичных преобразователей  (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины.

Измерение температуры (слайд 12).

Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел, рабочего и термодинамического.

Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.

По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров.

1. Термометры, основанные на расширении жидкостей.

Измерение температуры с помощью жидкостных термометров основано на различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в этой оболочке. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/С).

Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя – погружнаячасть закрывается металлической гильзой.

Слайд 13 иллюстрирует работу жидкостных термометров. Слева изображен термоскоп или термометр Галилея. Он представляет собой запаянный стеклянный цилиндр, наполненный жидкостью, в которой плавают стеклянные сферические сосудики-буйки. К каждому такому сферическому поплавку прикреплена снизу золотистая или серебристая бирка с выбитым на ней значением температуры. В зависимости от размера термометра количество поплавков внутри бывает от 3-х до 11-ти. В настоящее время термометр представляет эстетическую ценность в качестве эффектного предмета интерьера.Поплавки наполнены жидкостью таким образом, что их средняя плотность различна: самая маленькая плотность у верхнего, самая большая – у нижнего, но у всех близка к плотности воды, отличаясь от неё незначительно. С понижением температуры воздуха в помещении соответственно понижается температура воды в сосуде, вода сжимается, и плотность её становится больше. Известно, что тела, плотность которых меньше плотности окружающей их жидкости, всплывают в ней. При понижении температуры в помещении плотность жидкости в цилиндре увеличивается и шарики поднимаются вверх один за другим, при повышении - опускаются. Такой эффект достигается за счет очень высокой точности изготовления термометров. Все шарики калибруются по температуре всплытия в интервале 0,4 °С. Диапазон температур, измеряемых термометром, находится в районе комнатной температуры: 16-28°, шаг: 1 °С. Текущее значение температуры определяется по нижнему из всплывших шариков.

Справа всем известный советский ртутный термометр. Думаю, что принцип его работы известен всем.

В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан. Торговая марка сплава с заявленным составом 68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова. Торговая марка принадлежит немецкой компании GerathermMedical AG.Заявленная температура плавления −19 градусов Цельсия. Основное применение — замена ртути в бытовых термометрах. Недостатки: сплав смачивает стекло, поэтому в термометрах стекло покрывают пленкой оксида галлия. Другой недостаток подобных термометров — галинстан расширяется при затвердевании и может разорвать стеклянную колбу при охлаждении.

1. Термометры, основанные на расширении твердых тел.

К этой группе приборов  относятся дилатометрические и биметаллическиетермометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения. Слайд 14 показывает установку дилатометрического термометра в трубопроводе. Здесь 1 – металлическая оболочка, 2 – кварцевый или фарфоровый стержень, 3, 4 – рычаги, 5 – гидравлический усилитель регулятора температуры, 6 – трубопровод. Дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали (слайд 15). Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.

Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %.

1. Термометры манометрические

В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением  термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании.

Манометрические термометры (слайд 16) обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся система заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

Достоинства: шкала прибора практически равномерна.

Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.

Если термосистема манометрического термометра заполнена азотом, гелием или аргоном, то приборы называются газовыми;

Слайд 17. Жидкостные приборы заполняются кремнийорганической полиметилсилаксановой жидкостью ПМС-5 по ГОСТ 13032—77.

Термометры с системами, заполненными низкокипящими жидкостями (фреоном, хлористым метилом, ацетоном, этилбензолом), пары которых при измеряемой температуре частично заполняют термобаллон, называются конденсационными (паровыми).

Шкалы манометрических газовых и жидкостных термометров равномерные; конденсационных манометрических — неравномерные (сжатые на первой трети шкалы).

1. Электрические термометры

Все электрические термометры используют в своем составе термопары.

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (слайд 18)). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них (слайд 19).

   В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (слайд 20).

   Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

   На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (слайд 21). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

1. Термометры сопротивления

Измерение температуры термосопротивлениями (слайд 22) основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

      Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования:

а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой;

б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла  должен быть достаточно большим и неизменным;Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.

в)  функция R = f(t) должна быть однозначна.

1. Пирометры излучения

Пирометры излучения (слайд 23) основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемого введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях.    

       Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями.

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

Яркостные. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Температурный диапазон

Низкотемпературные. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.

Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.

Исполнение

Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

Перейдем к процессам и приборам для измерения давления.

Под давлением в общем случае понимают отношение нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.

В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Р_а или избыточное Р_и. При измерении Р_а за начало от-счета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха (слайд 24). Естественно, достигнуть Р_а = 0 невозможно.Барометрическое давление Р_бар– давление,оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Р_и = Р_а - Р_бар

Если Р_а<Р_бар, то Р_и называется давлением разряжения.

Классификация приборов для измерения давления (слайд 24):

I. По принципу действия:

1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости);

2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень);

3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента);

4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину).

II. По роду измеряемой величины:

1) манометры (измерение избыточного давления);

2) вакуумметры (измерение давления разряжения);

3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения);

4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений);

5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения);

6) тягонапорометры;

7) дифманометры (для измерения разности давлений);

8) барометры (для измерения барометрического давления).

Жидкостные манометры.

Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.

Двухтрубный манометр (слайд 25) представляет собой U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью.Давление в каждой трубке связано с уровнями как  и  ,где h₁ и h₂ – уровни в трубках. О разности давлений DР = Р₁ – Р₂ можно судить по разности уровней Dh = h₁ – h₂.

Дифманометр,дифференциальный манометр, прибор для измерения разности (перепада) давлений; применяется также для измерений уровня жидкостей и расхода жидкости, пара или газа по методу перепада давлений. По принципу действия различают жидкостныедифманометры, в которых измеряемое давление или разрежение уравновешивается столбом жидкости, и механические, в которых давление уравновешивается силами упругости различных чувствительных элементов — мембраны, пружины, сильфона. Упругая деформация чувствительного элемента — величина, пропорциональная измеряемому давлению.

Чашечный (однотрубный) манометр (слайд 26) является разновидностью U-образного трубного манометра, у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Р_а, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой.

Уравнение равновесия:                        DР = rgh.

На слайде 27 изображены другие типы чашечныхдифманометров

Работаоднотрубногодифманометра с сосудом и вертикальной трубкой аналогична работе двухтрубного.

Кольцевойдифманометр, или "кольцевые весы", имеет чувствительный элемент в виде полого кольца с перегородкой. В нижней части кольца, заполненного жидкостью (вода, масло, ртуть), укреплён компенсационный груз. При p1 = p2 уровень жидкости в обеих частях кольца одинаков, а центр тяжести груза находится на вертикальной оси, проходящей через центр кольца. При p1 > p2 жидкость в левой части опустится, а в правой поднимется. Усилие, создаваемое действием разности давлений на перегородку, вызывает момент, стремящийся повернуть кольцо по часовой стрелке.  Фактически, угол поворота кольцевого дифманометра и отображает перепад давления.

Колокольныйдифманометр представляет собой колокол, погружённый в жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений внутри (большее) и снаружи (меньшее) колокола. Противодействующая измеряемому давлению сила создаётся утяжелением колокола (гидростатическое уравновешивание) или деформацией пружины, на которой подвешивается колокол (механическое уравновешивание). Диапазон измерения перепада давлений от 40 н/м2 до 4 кн/м2 (от 4 до 400 кгс/м2) при давлении среды от 10 кн/м2 до 0,3Мн/м2 (от 1000 кгс/м2 до 3 кгс/см2).

Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов.

Механическиедифманометры (слайд 28) разделяются на мембранные с плоской упругой металлической или неметаллической мембраной и сильфонные. В мембранныхдифманометрах упругая металлическая мембрана прогибается под влиянием измеряемого давления, по величине прогиба определяют давление. Противодействующую силу при деформации создаёт тарированная цилиндрическая спиральная пружина, которая разгружает мембрану. Дифманометр с неметаллическими мембранами (из резины и т.п. материалов) имеют только цилиндрическую спиральную пружину, не воспринимают изгибающих моментов и сжимающих усилий и работают только на растяжение.

Сильфонныедифманометры имеют чувствительный элемент — гофрированную металлическую коробку (сильфон) с тарированной цилиндрической спиральной пружиной. Сильфон разделяет полость дифманометра на две камеры. Большее давление подводится в полость над сильфоном, а меньшее — внутрь. Под действием разности давлений сильфон прогибается на величину, пропорциональную измеряемому давлению.

Пружинные манометры (слайд 29)состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.

При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в результате чего она через поводок начинает взаимодействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку. Действие манометра показано на следующем рисунке.

Электрические манометры.

            Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (слайд 30). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2.

Несколько другой тип манометра представлен на слайде 31. в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

Переходим к методам и приборам для измерения расхода пара, газа и жидкости

Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

            Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м3/с.

            Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

            Классификация расходомеров представлена на слайде 32.

Про механические методы можно много не разговаривать. Они являются самыми простыми методами. Возможно, самый простой способ измерить расход — это использовать некоторую ёмкость и секундомер. Поток жидкости направляется в некоторую ёмкость, и по секундомеру засекается время заполнения этой ёмкости. Зная объём ёмкости, и поделив его на время её заполнения, можно узнать расход жидкости. Этот способ подразумевает прерывание нормального течения потока.

Метод переменного перепада давления (слайд 33) является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.

В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением.

На слайде 34 показан график перепада давления по длине трубопровода с установленным расходомером. Чем больше расход жидкости, тем больше перепад давления, который может быть измерен дифманометрами. Из-за образования вихрей давление на выходе всегда меньше входного на величину потерь, которые могут быть уменьшены с помощью сопел Вентури, показанных на слайде 35. Труба Вентури состоит из входногоконуса(2), горловины (3) идиффузора(4). Для выравнивания давления на периферии горловина и входной конус имеют кольцевые усредняющие камеры (1), в нижней части которых устанавливают приспособления для спуска жидкости. Расход определяется выражением, представленным на слайде 36.

Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис.), которые имеют ряд преимуществ перед расходомерами переменного перепада давления:

Устройство и принцип работы (слайд 37)

Ротаметр состоит из конической трубки, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок-индикатор. Измеряемый поток жидкости или газа проходит через трубку снизу вверх и поднимает поплавок. Чем выше поплавок, тем больше площадь вокруг него, через которую может течь поток. Поднявшись настолько, что сила тяжести F_G уравновешивает подъёмную силу F_r со стороны потока, поплавок останавливается. Таким образом, каждому положению поплавка соответствует определённый расход — определение этого соответствия называется градуировка. Для отечественных ротаметров градуировка производится на заводе изготовителе по воздуху и воде при норм.условиях. 

В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя. В ротаметрах с пневматическим выходным сигналом для передачи положения поплавка преобразователю используется магнитная муфта. Она состоит из двух постоянных магнитов. Один — сдвоенный — перемещается вместе с поплавком, другой, укрепленный на рычаге преобразователя перемещения в давление сжатого воздуха, двигается вместе с рычагом вслед за первым магнитом.

Достоинства

Сравнительно простое и потому надёжное устройство

Для изготовления не требуются сложные технологии или дорогие материалы, что обеспечивает широкое распространение ротаметров.

Позволяют измерять малые расходы.

Ничтожны  потери давления.

Недостатки

Ротаметр должен располагаться вертикально.

Высота подъёма поплавка-индикатора зависит от плотности и, в общем случае, вязкости протекающего вещества.

Показания ротаметра обычно считываются оператором визуально, что усложняет использование ротаметров в автоматизированных системах.

В ротаметрах с оптическим считыванием положения поплавка протекающее вещество должно быть прозрачным.

Расходомеры переменного уровня (слайд 38).

Из гидравлики известно, что если жидкость свободно вытекает через отверстие в дне бака, то ее расход Q и уровень в баке Н связаны между собой. Следовательно, по уровню в баке можно судить о расходе из него.

На этом принципе основано действие расходомеров переменного уровня. Очевидно, что роль первичного преобразователя здесь выполняет сам бак с отверстием в дне. Выходной сигнал такого преобразователя — уровень в баке. Поэтому промежуточным преобразователем измерительной цепи расходомера переменного уровня может служить любой из рассмотренных уровнемеров.

Расходомеры переменного уровня обычно используют для измерения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей при сливе их в емкости, находящиеся под атмосферным давлением.

Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред.

Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.

         Расходомеры скоростного напора (слайд  39)

         Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды.

         Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по которому судят о скорости потока и, следовательно, о расходе.

         Методы и приборы для измерения уровня

         Методы измерения уровня

         В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %.

         Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.

         1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня

         Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающее на поверхности жидкости и имеющее постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка.

         1.10.3 Буйковые уровнемеры (слайд 40)

         Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элемент буйкового уровнемера - буй - массивное тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором контролируется. По мере изменения уровня жидкости изменяется погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске. Осадка буя переменная.

         Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения буя.

         1.10.4 Гидростатические уровнемеры (слайд 41)

        В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, созданного столбом жидкости Р = r_жgh.

        Различают пьезометрические уровнемеры и уровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости.

         Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе вязких и агрессивных жидкостей.

         Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности давления в дифманометре 2.

         1.10.5 Электрические методы измерения уровня (слайд 42)

                  Для измерения уровня жидкости может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ.

                   Кондуктометрический метод измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения уровня.

         Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных в измеряемую жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство между обкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость между уровнем жидкости и емкостью пропорциональная.

         1.10.6 Радиоволновые уровнемеры (слайд 42)

        Предназначены для бесконтактного измерения и сигнализации уровня жидкости и сыпучих материалов путем облучения контролируемой среды радиоволнами.

        В результате обработки параметров отраженной радиоволны выделяется сигнал, пропорциональный расстоянию от датчика до поверхности L.

        Достоинства уровнемеров: надежность, температурная стабильность, отсутствие контакта с измеряемым продуктом, компактность и т.д.

Вихревые расходомеры

Действие таких расходомеров основано на явлении возникновения вихрей при встрече потока с телом необтекаемой формы. При работе расходомера вихри отрываются поочередно от противоположных сторон тела, расположенного поперек движения потока (слайд 43). Частота отрыва вихрей прямо пропорциональна скорости потока, т. е. его объемному расходу (слайд 44). В месте завихрения скорость потока увеличивается, давление уменьшается. Поэтому частоту образования вихрей можно измерять, например, манометром, электрический выходной сигнал которого подают на частотомер.

Кориолисовы расходомеры (слайд 45) — приборы, использующие для измерения массового расхода жидкостей, газов эффект Кориолиса. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется вибрации расходомерных трубок. Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг извивается под напором прокачиваемой через него воды.

Преимущества измерения кориолисовым расходомером:

• высокая точность измерений параметров;
• работают вне зависимости от направления потока;
• не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера;
• нет затрат на установку вычислителей расхода;
• надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды (только если расходомер установлен на резиновые подставки-прокладки);
• длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;
• нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании;
• могут работать от разных источников питания с помощью самопереключающегося встроенного блока питания;
• измеряют расход сред с высокой вязкостью;
• разрешено использование в пищевой и фармацевтической промышленностях.

Электромагнитные расходомеры (слайд 46)

Действие электромагнитных расходомеров основано на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, будет наводиться э. д. с, пропорциональная скорости движения проводника. В электромагнитных расходомерах роль проводника выполняет электропроводная жидкость, протекающая по трубопроводу 1 и пересекающая магнитное поле 3 электромагнита 2. При этом в жидкости будет наводиться э.д.с. U, пропорциональная скорости ее движения, т. е. расходу жидкости.

Выходной сигнал такого первичного преобразователя снимается двумя изолированными электродами 4 и 6, установленными в стенке трубопровода. Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрывают электроизоляцией 7, чтобы исключить шунтирование наводимой э. д. с. через жидкость и стенку трубопровода.

Лекция 5. Применение SCADA-систем в промышленной автоматизации.

Промышленная автоматика (ПА) в соответствии с государственной системой промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) – это совокупность технических средств (ТС), включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СрА) отраслевого (промышленного) назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления.

К средствам промышленной автоматики относят:

1. технико-информационные средства измерения и регулирования,
2. функциональные и логические электронные устройства;
3. вторичные приборы и индикаторы;
4. регуляторы, включая задатчики;
5. исполнительные механизмы, включая релейно-контактные устройства;
6. источники питания.

К основным сферам промышленной автоматики относят контроль и регулирование:

1. тепло-, электроэнергетических и механических величин,
2. химического состава и физических, свойств газов, жидкостей и твердых тел.

Системы автоматизации – информационно объединенная совокупность программируемых устройств автоматизированного и автоматического контроля, регулирования и управления.

Составными элементами систем автоматизации являются подсистемы:

1. технологической и аварийной сигнализации,
2. автоматической блокировки и технологической защиты,
3. аварийного управления,
4. регистрации состояния управляемого процесса и действий оператора.
5. коммуникации данных между устройствами системы и с внешними информационными системами.

Проектирование (создание) систем автоматизации выполняется только в соответствии с НТД, включая стандарты предприятия и другие внутренние нормативные документы.

Общая нормативная классификация промышленной автоматики по функциональному назначению

В соответствии с НТД по виду и составу измеряемых и регулируемых величин средства промышленной автоматики делятся на 5 групп:

Общая нормативная классификация промышленной автоматики по объему выполняемых функций

В соответствии с ГСП по объему выполняемых функций системы промышленной автоматики делятся на 3 категории:

• локальные системы автоматического контроля, регулирования и управления (достаточно простой набор однородных функций (обычно – контроль, регулирование и регистрация) с числом каналов контроля, управления и регулирования от 1 до 8),
• централизованные системы автоматического контроля, регулирования и управления (многоуровневые системы с большим набором разнородных функций (включая информационное обеспечение и внутри- и междууровневую коммуникацию данных) с числом каналов от 9 до нескольких десятков или сотен),
• автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) (многоканальное оптимальное регулирование технологического процесса).

Общая структура современной промышленной автоматизации

Иерархический принцип построения систем автоматизации - распределение общих функций системы по нескольким уровням с ростом масштабов управления снизу вверх.

Типовая функциональная схема современной промышленной автоматики.

1. Верхний уровень системы автоматизированного управления называют АСУ предприятия (АСУП) (по содержанию он являются бизнес-уровнем управления целым предприятием или его отдельным структурным элементом).
2. Нижние уровни обеспечивают АСУ ТП,
3. Диспетчерский уровень управления обеспечивает интеграцию АСУ ТП в АСУП.

Общая структура современных АСУ ТП

При построении средств современной промышленной автоматики (обычно в виде АСУ ТП) используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности.

Общая современная структура АСУ ТП:

Рис.1.2.Типовая функциональная схема современной АСУ ТП.

Обозначения:

В настоящее время АСУ ТП обычно реализуются по схемам:

1. 1-уровневая (локальная) система, содержащая программируемый логический контроллер (ПЛК) или моноблочный настраиваемый контроллер (МНК), обеспечивающие индикацию и сигнализацию состояния контролируемого или регулируемого ТП на передней панели;
2. 2-уровневая (централизованная) система, включающая:
   1. на нижнем уровне несколько ПЛК с подключенными к ним датчиками и исполнительными устройствами,
   2. на верхнем уровне – одна или несколько операторских (рабочих) станций - АРМ оператора).

Обычно рабочая станция или АРМ - это ЭВМ в специальном промышленном исполнении, со специальным программным обеспечением, – системой сбора и визуализации данных (SCADA-системы).

Одноуровневые системы промышленной автоматики

Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП:

Типовая функциональная схема одноуровневой САУ.

Основные функции элементов:

ПЛК:

1. прием дискретных сигналов от преобразователей и технологического оборудования,
2. аналого-цифровое преобразование (АЦП) аналоговых сигналов, поступающих на входы из преобразователей,
3. масштабирование и цифровая фильтрация данных после АЦП,
4. обработка принятых данных по программе функционирования,
5. генерация (в соответствии с программой) управляющих дискретных сигналов и подача их на исполнительные устройства,
6. цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) выходных информационных данных в выходные аналоговые сигналы,
7. подача управляющих сигналов на соответствующие исполнительные устройства,
8. защита от потери работоспособности из-за зависания процессора с помощью сторожевого таймера,
9. сохранение работоспособности при временном отключении электропитания (за счет источника бесперебойного питания с аккумулятором достаточной емкости),
10. контроль работоспособности датчиков и достоверности измеренных величин
11. индикация текущих и интегральных значений измеряемых величин,
12. контрольная сигнализация состояния управляемого процесса,
13. контрольная световая и символьная сигнализация состояния контроллера,
14. возможность конфигурации (настройки параметров) через ПК подключаемый, к специальному порту.

Преобразователи:

1. преобразование значения измеряемой величины (температуры, давления, перемещения и т.д.) в непрерывный или импульсный (для счетных входов ПЛК) электрический сигнал.

Исполнительные устройства:

1. преобразование управляющих электрических непрерывных или импульсных сигналов в механическое перемещение исполнительных механизмов, электронное управление током в силовых цепях и т.д.

Устройство согласования (при необходимости):

1. гальваническая или другие виды развязки между ПЛК и исполнительными устройствами (ИУ),
2. согласование допустимых значений выходного тока управляющих каналов ПЛК и тока, необходимого для нормальной работы ИУ.

При недостаточном числе каналов одного ПЛК используется схема распределенного ввода/вывода с использованием других (управляемых, ведомых ПЛК) или дополнительных контроллеров (модулей) ввода/вывода.

Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП с распределенным вводом/выводом:

Двухуровневые системы промышленной автоматики

Типовая функциональная схема 2-уровневой АСУ ТП

Все ПЛК и АРМы объединены промышленной информационной сетью, обеспечивающей непрерывный обмен данными. Преимущества: позволяет распределить задачи, между узлами системы, повысив надежность ее функционирования.