Основы автоматизации производственных процессов

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

2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии.

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

5.5 Методы и приборы для измерения температуры

Классификация термометров.

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.

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:

термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел;

термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел;

термометры газовые манометрические;

термометры жидкостные манометрические;

конденсационные;

электрические;

термометры сопротивления;

оптические монохроматические пирометры;

оптические цветовые пирометры;

радиационные пирометры.

Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.

Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как

, 1/град,

где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно.

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 погружная часть закрывается металлической гильзой.

Термометры, основанные на расширении твердых тел.

К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.

1) 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:

, 1/град,

где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно.

В силу того, что мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. 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 %.

Газовые манометрические термометры.

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

Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема 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.

Жидкостные манометрические термометры.

В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д.

Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

Конденсационные манометрические термометры.

Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы.

Электрические термометры.

Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0:

EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0),

где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.

ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t0.

Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t0 (обычно t0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:

EAB(t t0) = EAB(t t0') + EAB(t0't0).

Поправка EAB(t0't0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t0' и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t0' > t0 и отрицательной, если t0' < t0.

Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.

Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.

Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.

Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.

Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые;ХК - хромель-копелевые;

ПП - платинородий-платиновые и т.д.

Требования к термопарам:

1) воспроизводимость,

2) высокая чувствительность,

3) надежность,

4) стабильность,

5) достаточный температурный диапазон.

Таблица 2.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар.

Название	Состав	ТЭДС, мВ (при t0 = 0 C и t1 = 100 C)	Максимальный темпер. предел, C
хромель	10% Cr + 90 % Ni	+2,95	1000
платинородий	90 % Pt + 10 % Rh	+0,86	1300
медь	Cu	+0,76	350
платина	Pt	0	1300
алюмель	95 % Ni + 5 % Al	-1,2	1000
копель	56 % Cu + 44 % Ni	-4	600
константан	60 % Cu + 40 % Ni	-3,4	600

Методы и средства для измерения ТЭДС:

1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра);

2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).

Термометры сопротивления.

Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

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;

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

Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.

Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).

Пирометры излучения.

Пирометры излучения 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.

Цветовые пирометры.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны 1 и 2, то есть показания цветовых пирометров определяется функцией f(Е1 / Е2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно.

5.6 Вторичные приборы для измерения разности потенциалов

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры. В потенциометрах, в отличие от милливольтметров, используется компенсационный метод измерения.

Пирометрические милливольтметры.

Пирометрические милливольтметры являются электро-измерительными приборами магнито-электрической системы.

В конструкции пирометрических милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля.

В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки создается специальными пружинами.

Взаимодействие тока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока.

Потенциометры.

Автоматические электрические потенциометры.

Rp - сопротивление реохорда,

Rш - шунта,

Rп - для задания пределов измерения,

Rн и Rк - для задания начала и конца шкалы,

Rб - балластное,

Rс - для поверки рабочего тока,

Rм - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев.

ИПС - источник питания стабилизированный.

Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.

Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.

Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ДU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:

ДU = UAD - Е = 0.

В данном состоянии ЭД не работает.

Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ДU ? 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.

В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары.

5.7 Методы измерения сопротивления

Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.

Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены:

R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста;

Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;

Rт - сопротивление ТС;

Rл - сопротивление линии (соединительных проводов).

Условием равновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае:

R1.R3 R2.(R4 + Rт + 2.Rл).

Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта изменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.

То есть сопротивление линии Rл входит в обе части уравнения и частично компенсируется.

5.8 Методы и приборы для измерения давления и разряжения

Классификация приборов для измерения давления.

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

В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно.

Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Ри = Ра - Рбар

Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.

Классификация приборов для измерения давления:

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 представляет из себя U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью.

Чашечные манометры и дифманометры.

Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой.

Уравнение равновесия:Р = g (h + H).

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

Микроманометры.

Применяются для измерения давлений, меньших 100 - 200 мм водяного столба. Представляют из себя жидкостной манометр с наклоненной по углом 20…50 трубкой.

h = L.sin() - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке,

P = .g.h - измеренное давление.

Погрешность: 1,5 %.

Пружинные манометры.

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.

Электрические манометры.

Преобразователи давления типа "Сапфир".

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рис. 2.13). 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.

Преобразователи Сапфир-22ДА моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована.

Преобразователи Сапфир-22ДД моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444 (см. рис. 2.14), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что 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. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).

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.

5.9 Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости

Классификация.

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:

Механические

объемные

ковшовые

барабанного типа

мерники

скоростные

по методу переменного перепада давления

по методу постоянного перепада давления

напорные трубки

ротационные

Электрические

электромагнитные

ультразвуковые

радиоактивные

Метод переменного перепада давления.

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.

В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа "Сапфир".

Расходомеры постоянного перепада давления.

К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры.

Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ перед расходометрами переменного перепада давления:

а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода;

б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.

Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.

Q - расход проходящего через трубку газа или жидкости,

- угол наклона стенок трубки.

Зависимость Н от Q нелинейна, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени.

Отсутствие прямой зависимости между Q и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора.

Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.

Расходомеры переменного уровня.

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

Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рис. 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для успокоения потока.

Расходомеры скоростного напора.

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

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

5.10 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 %.

Поl 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.

Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический, электрические и др.

Поплавковый метод измерения уровня.

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

Буйковые уровнемеры.

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.

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.

Гидростатические уровнемеры.

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

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.

Электрические методы измерения уровня.

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.

6. Исполнительные устройства

6.1 Классификация исполнительных устройств

Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО) объекта.

Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.).

Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F(ДP, н, с, C1, C2, …),

где ДP - перепад давления на РО, н - вязкость, с - плотность, Сi - некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем:

- изменения ДP (насосные ИУ),

- н или с (реологические ИУ),

- коэффициентами Ci (дроссельные ИУ).

6.2 Исполнительные устройства насосного типа

Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке, где обозначено: u - управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ - исполнительный механизм (привод), РО - регулирующий орган (насос), Хр - параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т.д.).

Для данных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давление на входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ДР = Рвых - Рвх.

Насосные ИУ делятся на три класса:

1) С вращательным движением РО:

а) шестеренчатые - зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную; обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики.

б) шиберные - при вращении шиберы центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы: на всасывающейся линии увеличивающиеся, на нагнетательной - уменьшающиеся.

в) винтовые - перекачка производится винтовым шнеком.

г) центробежные - изменение расхода происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора насоса.

2) С поступательным движением РО:

а) поршневые,

б) мембранные,

в) сильфонные.

6.3 Исполнительные устройства реологического типа

Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(н).

Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на н. При этом расход F на РО изменяется пропорционально.

6.4 Исполнительные устройства дроссельного типа

Эти ИУ нашли преимущественное распространение в силу универсальности и простоты. В зависимости от u ИМ изменяет какой-либо параметр дросселя РО, что приводит к изменению расхода F.

Пропускной характеристикой дросселя называется зависимость расхода F от перепада давления ДР = Рвх - Рвых, положения РО и т.д.

Зависимость F(ДР) для турбулентного потока:

F = г ,

где ,

S - площадь сечения потока, о - коэффициент местного сопротивления, с - плотность.

Типы ИУ:

1) Плунжерные - расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор» (см. рис.). Форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h - положение штока).

2) Шланговые - расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1).

3) Диафрагмовые - используют гибкие мембраны.

4) Заслоночные - используют заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода.

5) Краны - используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол.

6) Задвижки - расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.

6.5 Исполнительные механизмы

Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются по:

- виду энергии, создающей перестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.);

- виду движения (прямоходовые, однооборотные и многооборотные);

- принципу создания перестановочного усилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные, электродвигательные и др.).

Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях. Недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности.

Входным сигналом этих ИМ является давление сжатого воздуха, которое, воздействуя на мембрану, создает усилие

F = Sэф (Рu - Ро),

где Pu - управляющее давление,

Ро - начальное давление, при котором создается движение плунжера,

Sэф - эффективная площадь мембраны.

Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродействие, точность позиционирования, компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях.

Подразделяются на электродвигательные (привод от двигателя) и электромагнитные.

Промышленность выпускает практически только электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В:

- многооборотные (МЭМ),

- однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360є,

- прямоходовые (МЭП).

Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 сек, номинальный ход 0,25 оборота).

7. Функциональные схемы автоматизации

7.1 Условные обозначения

Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружностей (см. рис. 2.30, а и б).

Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная разделительная линия (см. рис. 2.30, в и г). Если функция, которой соответствует окружность, реализована в системе распределенного управления (например, в компьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рис. 2.30, д).

Внутрь окружности вписываются:

- в верхнюю часть - функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств);

- в нижнюю - позиционные обозначения приборов и устройств.

Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с помощью тонких сплошных линий.

Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского алфавита и состоят из трех групп букв:

1 буква - Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр:

D - плотность,

Е - любая электрическая величина,

F - расход,

G - положение, перемещение,

Н - ручное воздействие,

К - временна'я программа,

L - уровень,

М - влажность,

Р - давление,

Q - состав смеси, концентрация,

R - радиоактивность,

S - скорость (линейная или угловая),

Т - температура,

U - разнородные величины,

V - вязкость,

W - масса.

2 буква (не обязательная) - уточнение характера измеряемой величины:

D - разность, перепад,

F - соотношение,

J - автоматическое переключение,

Q - суммирование, интегрирование.

3 группа символов (несколько букв) - функции и функциональные признаки прибора:

I - показания,

R - регистрация,

С - регулирование,

S - переключение,

Y - преобразование сигналов, переключение,

А - сигнализация,

Е - первичное преобразование параметра,

Т - промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние,

К - переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция.

Условные обозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на рис. 2.31:

- автоматическая защита из системы противоаварийной защиты (ПАЗ, см. рис. 2.31,а);

- технологическое отключение (включение) из системы управления (см. рис. 2.31, б);

- регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально открытый) - рис. 2.31, в;

- регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально закрытый) - рис. 2.31, г;

- управляющий электропневматический клапан (ЭПК) - рис. 2.31, д;

- отсекатель с приводом (запорный клапан) - рис. 2.31, е.

7.2 Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации

(В скобках указаны примеры типов приборов)

7.3 Примеры схем контроля температуры

Индикация и регистрация температуры (TIR).

101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от -50 С до 900 С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515

101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72

101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542

Примечание: Другие виды амперметров: А-502, А-503 - показывающие, А-542, А-543 - регистрирующие, последняя цифра - число параметров; А-100 - показывающий на 1 параметр.

Индикация, регистрация и регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (TIRС, пневматика).

102-1 то же, что 101-1

102-2 то же, что 101-2

102-3 электропневмопреобразователь, входной сигнал 0…5 мА, выходной - стандартный пневматический 0,02…0,1 МПа, марка ЭПП-63 (или ЭПП-180)

102-4 пневматический вторичный прибор на 3 параметра со станцией управления, марка ПВ 10.1Э (с электроприводом диаграммной ленты)

102-5 Пневматический ПИ-регулятор ПР 3.31

Примечание: Регуляторы ПР 2.31 сняты с производства.

Индикация и регулирование температуры с помощью микропроцессорного регулятора (TIС, эл.).

103-1 то же, что 101-1

103-2 Трехканальный микропроцесс-сорный регулятор типа «Протерм-100»

103-3 Регулирующий клапан для неагрессивных сред, корпус из чугуна, предельная температура Т = 300 С, давление Ру = 1,6 МПа, условный диаметр Dу = 100 мм, тип 25нч32нж

Индикация, регистрация, сигнализация и регулирование температуры с помощью потенциометра (моста) (TIRС, эл.).

104-1 то же, что 101-1

104-2 Автоматический электронный потенциометр на 1 точку со встроенными устройствами регулирования и сигнализации, тип КСП-4 (или автоматический электронный мост типа КСМ-4 и т.д.)

104-3 Лампа сигнальная Л-1

104-4 то же, что 103-3

7.4 Примеры схем контроля давления

Индикация давления (PI).

210-1 Манометр пружинный М-… (см. рис. 2.36)

Сигнализация давления (PA).

202-1 Пневматический первичный преобразователь давления,

предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом)

202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1

202-3 то же, что 104-3

3.4.3 Индикация, регистрация и регулирование давления (PIRC, пневматика)

См. рис. 2.38.

203-1 то же, что 202-1

203-2 то же, что 102-4

203-3 то же, что 102-5

203-4 то же, что 103-3

Индикация и регистрация давления (PIR, эл.).

См. рис. 2.39.

204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.)

204-2 то же, что 101-3

Индикация, регистрация, регулирование и сигнализация давления (PIRCA, пневматика).

См. рис. 2.40.

205-1 то же, что 202-1

205-2 то же, что 102-4

205-3 то же, что 102-5

205-4 то же, что 103-3

205-5 то же, что 202-2

205-6 то же, что 202-3

7.5 Схемы контроля уровня и расхода

Схемы контроля уровня аналогичны схемам контроля давления, поскольку его значение при измерении либо преобразуется в давление, либо датчики уровня, как и датчики давления, имеют на выходе стандартный пневматический или электрический сигнал. Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме из обозначения также, как правило, изображаются встроенным в трубопровод. При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемы автоматизации аналогичны схемам контроля давления. Прочие расходомеры, как правило, уже имеют на выходе стандартный сигнал.

301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2 (диафрагма камерная, давление Ру = 6 атм, диаметр Dу = 50 мм)

301-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматики) или Сапфир-22ДД (для электрической схемы)

302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом) или РД-Э (с электрическим выходом)

Таблица 2.2 - Форма спецификации к ФСА.

поз.	Параметры среды, измеряемые параметры	Наименование и техническая характеристика	Марка	К-во	Приме- чание
100-1 101-1 103-2	Давление в аппарате, Рmax = 0,5 МПа	Манометр сильфонный с пневмовыходом, вых. сигнал 0,02…0,1 МПа, пределы измерений 0…1,6 МПа	МС-П2	3	по месту

8. Современные системы управления производством

8.1 Структура АСУ ТП

Характерной особенностью развития современной электронной промышленности является бурный рост, сопровождающийся столь же бурным снижением стоимости средств автоматизации, вычислительной техники, коммуникаций, устройств высокоточных измерений параметров.

Цифровые технологии быстро вытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления в недалеком прошлом. Это связано с тем, что возможности цифровых средств измерения и управления на порядок выше, чем у аналоговых. К числу их достоинств относятся:

1) более точное представление измеряемых величин;

2) большая помехозащищенность;

3) возможности построения вычислительных сетей;

4) большая гибкость и эффективность в управлении процессом и т.д.

Все эти возможности связаны с конкретными выгодами для пользователей:

1) ускорение работы операторов системы управления;

2) экономия финансовых ресурсов;

3) повышение качества и корректности решений, принимаемых операторами;

4) уменьшение потерь продукции и др.

Любую автоматическую систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) можно в конечном итоге разделить на 3 основных уровня иерархии:

Самым нижним уровнем является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).

Средний уровень - уровень производственного участка. Его функции:

- сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение;

- выработка управляющих сигналов на основе анализа информации;

- передача информации о производственном участке на более высокий уровень.

Верхний уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления. На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей:

1) операторской части,

2) системы подготовки отчетов,

3) системы анализа тенденций.

Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами.

Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др.

Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдения за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы.

На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения вырхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).

8.2 Устройства связи с объектом (УСО)

Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте. имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид (напряжение, сопротивление, давление), а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом и цифровом видах, в современной АСУТП используют устройства связи объектом.

Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы с клеммными соединителями или стандартный DIN-рельс.

На УСО возлагаются следующие функции:

1) Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП.

2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения.

3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.

Помимо этих функций ряд УСО может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе АЦП, дискретного ввода-вывода, микропроцессора и интерфейсов передачи данных.

По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговые УСО (аналого-цифровые преобразователи АЦП, цифро-аналоговые преобразователи ЦАП и др.) должны обладать большой точностью, линейностью и большим напряжением изоляции.

Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, выключателей, контроля наличия напряжения в сети и т.д., а выходные дискретные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО удовлетворяют тем же требованиям, что и аналоговые, но, кроме того, обладают минимальным временем переключения, а выходные могут обеспечивать коммутацию более высоких токов и напряжений.

Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой информацией. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия (например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485).

По направлению прохождения данных модули УСО можно разделить на три типа:

1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;

2) устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;

3) двунаправленные.

В реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельных устройств, а входить в состав датчиков (в этом случае датчики называют интеллектуальными) или промышленных компьютеров. Примером могут служить датчики, выдающие готовый цифровой сигнал. в этом случае граница между первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри датчика. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой вид.

8.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров

Промышленные контроллеры и компьютеры. расположенные на средне уровне АСУТП играют роль управляющих элементов. принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы.

До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров.

Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытотью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю.

Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала.

Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC.

Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.

8.4 Операционная система PC-контроллеров

Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.

Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32. Более ста фирм - производителей программного и аппаратного обеспечения выпускают продукцию, ориентированную на QNX.

QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в "защищенном режиме". Это означает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая "фатальная" ошибка в одной из программ не приводит к "краху" всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом обеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-мажорном отключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-памяти, но файловая система не разрушится. После включения компьютера будет обеспечена нормальная работа системы. В QNX полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие "точка-точка". По существу, сеть из машин QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавлены к системе простым подключением к любой машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает более чем один путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходят из строя и связь прекращается, то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это предоставляет пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивает скорость и надежность коммуникаций во всей системе.