Разработка информационно-измерительного канала

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Автоматизация технологических процессов всё более широко внедряется во все области техники, в том числе и в технику ядерной энергетики и АЭС в целом.

Автоматизация - одно из самых прогрессивных направлений в общем развитии науки и техники.

Автоматическое управление является более точным, быстродействующим и эффективным по сравнению с ручным управлением, поэтому тенденция его повсеместного внедрения глубоко оправдана. Автоматизация в промышленности означает дальнейший рост производительности труда. Современная автоматизированная система состоит из большого количества вычислительных машин, соединённых в один комплекс управления, в котором координирующее действие и контроль осуществляет человек.

Автоматизация управления атомными энергетическими установками вызывается необходимостью обеспечить безопасность обслуживающего персонала, предохранить реактор и всю установку от опасных режимов работы.

Целью данного курсового проекта является разработка информационно-измерительного канала (ИИК).

ИИК -- совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), реализующих процесс измерений и обеспечивающих автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых числом или кодом) в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояние) объекта измерений.

В наш век информационных технологий становится все более актуальным необходимость ИИК, т.к. это упрощает и облегчает, доступ к необходимой информации, регулирование сложными технологическими процессами и т.д

Перечень сокращений:

АЭС - атомная электростанция;

БИК - блок извлечения корня;

ГСП - государственная система приборов и средств автоматизации;

ИИК - информационно-измерительный канал;

РД - реверсивный электродвигатель;

СИ - средство измерений;

СД - синхронный двигатель;

СУ - сужающее устройство;

ТСМ - термометр сопротивления медный.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦП - центральный процессор;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ЭДС - электродвижущая сила;

ЭУ - электронный усилитель;

1. Разработка темы индивидуального задания. Обоснование выбора технического решения и постановка задачи

В данной курсовой работе была поставлена задача разработать информационно-измерительный канал. Данный канал должен обеспечивать погрешность измерений расхода в пределах от 20 до 30 т/ч и температуры от 0 до 150єС пара не более 0,04 МПа.

Основной задачей ИИК является измерение температуры и расхода пара. Первичными преобразователями соответственно являются термометр сопротивления (ТСМ) и преобразователь типа «Сапфир». Под первичным преобразователем понимают СИ, к которому подведена измеряемая величина.

Термометр сопротивления - это совокупность СИ, содержащих термопреобразователь сопротивления, токопроводы, измеритель сопротивления и предназначен для выработки сигнала температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателя. ТСМ применяют для измерения температуры в пределах от -50єС до +180єС. Медь относительно не дорогой металл. Из него достаточно просто получить тонкую проволоку высокой чистоты со значительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Недостаток меди - небольшое удельное сопротивление и интенсивное окисление при невысоких температурах. ТСМ 50М имеет номинальное сопротивление при 0єС (R0) 50 Ом.

Дифференциальный манометр представляет собой преобразователь типа «Сапфир», предназначенный для работы с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и др. устройствами автоматики, работающими от стандартного выходного сигнала 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

В качестве вторичного прибора используется автоматический уравновешенный мост КСМ, предназначенный для измерения, регулирования температуры и сигнализации отклонения её от заданного значения в системах теплотехнического контроля АЭС.

Автоматический потенциометр КСП применяют для измерения, записи и регулирования температуры и других величин, изменение значений которых может быть преобразовано в напряжение постоянного тока или в изменение активного сопротивления. В основу работы положен компенсационный метод измерения, основанный измерения, основанный на уравновешивании измеряемой величины другой известной величиной. Этот метод характеризуется высокой точностью измерений.

Измерение расхода осуществляется при помощи расходомеров переменного перепада давления. Принцип действия которого основан на неразрывности струи несжимаемой жидкости, законе сохранения энергии, уравнении Бернулли. При протекании среды через сужающее устройство (по условию труба Вентури) часть потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию. В связи с этим образуется разность (перепад) давлений. Чем больше скорость (расход), тем больше перепад давления.

2. Разработка структурной схемы ИИК

Структурная схема информационно-измерительного канала (ИИК) приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема информационно-измерительного канала

1 - объект измерения; 2 - сужающее устройство (труба Вентури); 3 - первичный прибор измерения расхода (Сапфир - 22 ДД); 4 - промежуточный преобразователь (БИК - 1); 5 - вторичный прибор измерения расхода (КСП); 6 - блок сравнения; 7 - первичный прибор измерения температуры (ТСМ); 8 - вторичный прибор измерения температуры (КСМ); 9 - регулятор; 10 - исполнительный механизм.

3. Разработка функциональной схемы ИИК

В соответствии с заданием на курсовой проект, ИИК предназначен для измерения расхода и температуры рабочей среды. Определим состав блоков ИИК. Объектом измерения является участок трубопровода. Контролируемым параметром является расход пара.

В состав измерительного канала по контролю расхода пара входят следующие элементы:

сужающее устройство типа труба Вентури;

дифманометр типа Сапфир - 22М ДД;

промежуточный преобразователь (БИК - 1);

вторичный преобразователь типа КСП;

импульсные и кабельные линии;

запорная арматура.

Контроль рабочей среды по температуре осуществляется с помощью:

- первичного преобразователя типа ТСМ - 50М;

- вторичного преобразователя типа КСМ.

Данные средства измерения и контроля сформированы в ИИК согласно функциональной схемы представленной на рисунке 3.1.

1 - трубопровод;

2 - сужающее устройство типа труба Вентури;

3 - соединительные сосуды;

4 - запорный вентиль;

5 - дифманометр типа «Сапфир 22ДД»;

6 - промежуточный преобразователь типа БИК - 1;

7 - вторичный прибор типа КСП;

8 - термоэлектрический преобразователь;

9 - вторичный прибор типа КСМ;

10 - конденсационные уравнительные сосуды.



Рисунок 3.1 - Функциональная схема ИИК

4. Сужающее устройство труба Вентури

При выборе сужающего устройства следует учитываться с потерей давления измеряемой среды. Потерю давления измеряемой среды, протекающей через сужающее устройство, определяют как разность статических давлений, измеренных в двух ближайших поперечных сечениях, в которых как до, так и после сужающего устройства не наблюдается его влияния на характер потока. Потеря давления в сужающем устройстве обычно выражается в долях или процентах перепада давления .

Для измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных сужающих устройств: диафрагма, сопло и труба Вентури. На рисунке 4.1 представлено сопло Вентури, которое состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части - диффузора.

Рисунок 4.1 ? Труба Вентури

Трубы Вентури применяются для измерения расхода различных сред в трубопроводах диаметром мм при одновременном соблюдении условия . Они могут быть изготовлены с длинным и коротким диффузором (конусом). У длинной трубы Вентури диффузор на выходе имеет диаметр, равный диаметру трубопровода. Короткая труба Вентури имеет диаметр на выходе у диффузора меньше диаметра трубопровода.

Выходная цилиндрическая часть трубы Вентури соединена с диффузором, угол конусности которого должен удовлетворять условию . Отбор давлений и производится через кольцевые камеры. Эти камеры соединяются с внутренней цилиндрической полостью трубы Вентури при помощи отверстий, равномерно расположенных по окружности. Число отверстий должно быть не меньше четырёх. Диаметр этих отверстий не должен превышать и не быть менее 3 мм.

У трубы Вентури главным образом благодаря наличию на выходе диффузора, способствующего более полному восстановлению потенциальной энергии потока, потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Трубы Вентури рекомендуется применять в тех случаях, когда в промышленных установках при измерении расхода вещества большие потери давления недопустимы [2, стр. 445-447].

При установке трубы Вентури необходимо, чтобы участки трубопровода до и после его были прямыми и цилиндрическими с круглыми сечениями. Длина этих участков должна быть такой, чтобы различные искажения потока, происходящие от его прохождения через закругления, колена, вентили и тому подобные, смогли вполне сгладиться.

При установке трубы Вентури во фланцевом соединении трубопровода необходимо обращать особое внимание на плотность соединений, а также следить за правильной установкой сужающих устройств по отношению к направлению потока. Уплотнительные прокладки между трубой Вентури и фланцами не должны выступать во внутреннюю полость трубопровода [2, стр. 464].

При измерении расхода пара необходимо обеспечить постоянство и одинаковость верхних уровней конденсата в обеих соединительных линиях. Это достигается посредством включения в линии в непосредственной близости от сужающего устройства уравнительных сосудов [2, стр. 470].

5. Уравнительные сосуды

Отбор перепада давления от трубы Вентури для измерения расхода пара должен производиться через уравнительные конденсационные сосуды типа СКМ - 100. На рисунке 5.1 представлен уравнительный конденсационный сосуд.

Рисунок 5.1 ? Сосуд уравнительный конденсационный типа СКМ-100

При измерении расхода в вертикальных и наклонных паропроводах боковые отверстия в уравнительных сосудах должны располагаться в плоскости верхнего отверстия для отбора давления в сужающем устройстве. Трубы, соединяющие отверстия для отбора давлений в трубе Вентури с уравнительными сосудами, на участке вблизи сосудов должны располагаться горизонтально и на одном уровне. При этом необходимо эти трубы покрывать теплоизоляцией.

Для того чтобы можно было пренебречь дополнительной погрешностью при измерении расхода пара, которая может возникнуть из-за разности уровней конденсата в сосудах при быстром изменении расхода, уравнительные сосуды должны иметь достаточные размеры [2, стр. 470-471].

6. Дифманометр типа “Сапфир”

Преобразователи «Сапфир-22ДД» предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра ? перепада давления в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Согласно «Технического описания и инструкции по эксплуатации 08919030 ТО» выбираем модель преобразователя ? «Сапфир-22ДД-2450». Дифманометр представляет собой бесшкальный прибор со стандартизованным выходным электрическим сигналом 0-5 мА, 0-20 мА и 4-20 мА при напряжении питания 36 В постоянным током от блока питания постоянным током БИК-1. Схема устройства дифманометра «Сапфир-22ДД» представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схема устройства дифманометра “Сапфир 22М ДД”

Дифманометр состоит из стального корпуса 1, мембраны 2, заполненной кремнийорганической жидкостью 3, основания 4, тензопреобразователя 5, герметического ввода соединительных проводов 6 и электронного устройства 7.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенными металлической мембраной тензопреобразователя.

Измеряемый перепад давления действует на мембраны, которые передают давление через кремнийорганическую жидкость на тензорезистор. Последний изменяет свое электрическое сопротивление. Электронный блок преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Преобразователи «Сапфир-22ДД» выдерживают воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением в равной мере как со стороны плюсовой, так и минусовой камер. В отдельных случаях односторонняя перегрузка рабочим избыточным давлением может привести к некоторым изменениям нормированных характеристик преобразователя. Для исключения этого необходимо производить включение преобразователя в работу в соответствии с требованиями.

При измерении расхода пара дифманометр рекомендуется располагать ниже сужающего устройства и ниже уравнительных сосудов. Такой способ взаимного расположения сужающего устройства и дифманометра облегчает удаление воздуха из соединительных линий.

Электрическое питание преобразователя осуществляется от блока извлечения корня.

7. Блок извлечения корня БИК-1

Блоки извлечения корня БИК-1 предназначены для линеаризации статической характеристики и питания дифманометров комплекса преобразователей "Сапфир-22". Блоки БИК различного исполнения предназначены для питания преобразователей "Сапфир" с любым выходным информативным сигналом.

Основные технические требования:

1 Питание блоков от сети переменного тока напряжением 220В частотой 50Гц;

2 Входные цепи блоков рассчитаны на подключение унифицированных сигналов постоянного тока (0-5)мА и (4-20) мА;

3 Выходная цепь блоков обеспечивает формирование унифицированных сигналов постоянного тока (0-5)мА, или (4-20)мА;

4 Средняя наработка на отказ -100000ч;

5 Предел допускаемой основной погрешности 0,5%.

Рисунок 7.1 - Принципиальная схема БИК-1

Принципиальная схема БИК-1 приведена на рисунке 2.7 и содержит следующие основные элементы:

1 - резистивный преобразователь входного тока;

2 - двухвходовый модулятор с диодно-резистивной обратной связью, выполненный по схеме однополупериодного выпрямителя;

3 - фильтр низкой частоты;

4 - широтно-импульсный модулятор с однополярным выходным сигналом;

5 - преобразователь напряжения в ток;

6 - стабилизатор напряжения;

7 - генератор с использованием одной обмотки положительной обратной связи;

8 - стабилизатор двухполярного напряжения питания;

9 - выпрямитель.

Блок конструктивно состоит из шасси, корпуса и функциональных узлов.

Резисторный преобразователь 1 осуществляет преобразование входного токового сигнала в сигнал напряжения, который подается на инвертирующий вход операционного усилителя с RC-обратной связью, работающего в режиме фильтра нижних частот 3.

Сигнал, снимаемый с выхода фильтра 3, поступает на ШИМ 4, который преобразует сигнал напряжения постоянного тока в однополярные импульсы прямоугольной формы, следующие с переменной скважностью, зависящей от величины сигнала, подаваемого на его вход. Выходной сигнал ШИМ подается на один из входов амплитудного модулятора 2, выполненного по схеме однополупериодного выпрямителя и собранного на операционном усилителе. На другой вход амплитудного модулятора 2 поступает выходной сигнал фильтра 3. Во время формирования импульса ШИМом 4 выходной сигнал фильтра 3 не проходит через амплитудный модулятор 2, а во время паузы между импульсами указанный сигнал проходит через амплитудный модулятор на вход фильтра 3.

Фильтром 3 осуществляется выделение средней составляющей преобразованного входного сигнала (информативного). Сформированный фильтром 3 сигнал напряжения постоянного тока далее поступает на узел 5 для преобразования в унифицированный сигнал тока (0-5) или (4-20) мА.

Преобразователь 7 постоянного тока в переменный, выполнен по схеме генератора с использованием одной обмотки положительной обратной связи, на выходе которой установлены выпрямители 8 и 9. В узле 8 осуществлена дополнительная стабилизация выпрямительного напряжения. Преобразователь 7 питается от стабилизированного источника напряжения 6 постоянного тока.

Блок извлечения корня БИК-1 обеспечивает формирование унифицированного выходного сигнала, связанного с входным сигналом зависимостью, определяемой следующей формулой:

где I_вых - выходной сигнал, мА;

I _выхmin - нижнее предельное значение выходного сигнала, мА;

ДI_вых - диапазон изменения выходного сигнала, мА;

ДI_вх - диапазон изменения входного сигнала, мА;

I_вх - текущее значение входного сигнала, мА;

I_вхmin - нижнее предельное значение входного сигнала, мА.

В основе операции извлечения корня лежит принцип преобразования сигнала путем двойной модуляции (импульсной и амплитудной) с последующей фильтрацией импульсного сигнала активным фильтром.

Каждый модуль блока представляет плату, оканчивающуюся печатными ламелями, предназначенными для вставки в разъемы, расположенные на общей коммутационной плате.

На шасси крепится общая коммутационная плата, планка с одним силовым трансформатором, кронштейн с двумя предохранителями и направляющие, предназначенные для установки плат модулей. К шасси блоков прикреплена металлическая планка, на которой установлены две специальные колодки с коммутационными перемычками. Этими перемычками осуществляется подключение электрических цепей, обеспечивающих выбор нужного сочетания диапазонов входного и выходного сигналов.

Крепление корпуса к щиту при монтаже на объектах осуществляется двумя швеллерами и рамкой, с помощью которых блок притягивается к поверхности щита посредством четырех винтов.

Техническое обслуживание БИК-1 заключается в периодической проверке блоков. Периодическая проверка блоков производиться не реже одного раза в год в сроки, установленные в зависимости от условий эксплуатации, а также после перенастройки блоков и их ремонта.

8. Автоматические потенциометры типа КСП

8.1 Принцип действия и устройство автоматических потенциометров

Автоматические электронные потенциометры относятся к группе вторичных автоматических электронных приборов, основанных на компенсационном методе измерения. Они применяются для измерения, записи, сигнализации и автоматического регулирования температуры.

Потенциометры работают в комплекте с термоэлектрическими термометрами, радиационными и фотоэлектрическими пирометрами, могут применяться с датчиками, преобразующими измеряемый параметр в напряжение постоянного тока.

На рисунке 8.1 показана схема электронного потенциометра, который состоит из измерительного блока, выполненного в виде моста, образованного резисторами с сопротивлениями R_р, R_ш, R_п, R_вп, R₁, R_м, R_н, R₂, источника стабилизированного питания ИПС, электронного фазочувствительного полупроводникового усилителя переменного тока ЭУ, реверсивного электродвигателя РД, синхронного электродвигателя СД, шкалы с указывающей стрелкой и пером для записи на диаграммной бумаге измеряемой температуры во времени.

Назначение сопротивлений измерительного блока потенциометра следующее:

R_р-сопротивление реохорда;

R_ш - сопротивление шунта реохорда;

R_п - сопротивление конца шкалы потенциометра;

R_вп - сопротивление подгонки конца шкалы;

R₁ - сопротивление установки рабочего тока;

R_м - сопротивление автоматической компенсации ЭДС термоэлектрического термометра при изменении температуры его свободных концов от условий градуировки, изготовленное из медной или никелевой проволоки;

R_н ? сопротивление начала шкалы потенциометра;

R₂ - сопротивление снижения напряжения питания измерительной схемы потенциометра с 5 до 1 В от ИПС;

Рисунок 8.1 ? Принципиальная схема автоматического электронного потенциометра

R_ф1 , R_ф2 , С_ф1, С_ф2 - элементы фильтров, которые служат для уменьшения влияния паразитных напряжений;

С₂ - сглаживающий конденсатор;

С₁ - фазосдвигающий конденсатор;

РД - реверсивный асинхронный двигатель, имеет обмотку возбуждения, которая питается напряжением 220 В частотой 50 Гц и управляющую обмотку, на которую напряжение подается от фазочувствительного усилителя;

СД - синхронный электродвигатель, предназначен для привода диаграммной бумаги.

Автоматические потенциометры выпускаются следующих типов:

КСП1 - миниатюрный с диаграммной лентой;

КСП2 - малогабаритный с диаграммной лентой;

КСП3 - малогабаритный с диаграммным диском;

КСП4 - полногабаритный с диаграммной лентой.

8.2 Автоматические потенциометры типа КСП2

Автоматические показывающие и самопишущие потенциометры типа КСП2 выпускаются как одноточечные, так и многоточечные на 3; 6 и 12 точек измерения.

Выпускаемые приборы имеют класс точности по показаниям 0,5% и по записи 1%. Предел допускаемой основной приведенной погрешности показаний не должна превышать на всех отметках шкалы для показывающих приборов и для самопишущих. Предел допускаемой погрешности записи приборов на всех отметках диаграммной ленты не должен превышать . Время прохождения указателем всей шкалы прибора не превышает 2,5 и 10с в зависимости от модификации прибора.

Скорость движения диаграммной ленты выбирают из следующих рядов: 1 ряд - 20, 40, 60, 120, 240 мм/ч; 2 ряд - 600, 1200, 2400 мм/ч. Длина шкалы и ширина диаграммной ленты 160 мм. Масса одноточечных приборов - не более 17кг, многоточечных - не более 21кг.

Показания приборов отсчитываются по шкале при помощи указателя и записывается на диаграммной ленте. Запись в одноточечных приборах осуществляется непрерывно чернилами. Регистрация показаний в многоточечных приборах циклическая, при которой печать на диаграммной ленте осуществляется отдельными точками различного цвета с индикацией датчиков [3, стр. 57-58].

9. Соединительные линии

Соединительные линии служат для соединения элементов автоматических устройств между собой, взаимных связей приборов, регуляторов и других средств автоматизации, а также их связи с аппаратурой, установленной на щитах и пультах.

По конструктивному признаку соединительные линии делятся на трубные и электрические проводки.

По роду передаваемой энергии различают гидравлические, пневматические и электрические соединительные линии.

Импульсные трубные проводки служат для передачи импульсов от отборных или приемных устройств к чувствительным элементам средств автоматизации.

Диаметр труб для импульсных линий выбирают с учетом допустимого запаздывания при передаче измерительного импульса.

Максимальная допустимая длина импульсных линий к приборам для измерения перепада давления более 1000 Па равна 50 м.

В трубных импульсных линиях запаздывание может возрастать в результате накопления твердых остатков, смолистых веществ, образования воздушных и водяных пробок. Для исключения запаздывания трубные прокладки прокладывают с уклоном. Уклон импульсных линий расходомеров при измерении расхода жидкости составляет 1:10.

В качестве импульсных линий при условных давлениях до 1 МПа применяют бесшовные трубы из углеродистых и легированных сталей диаметром от 8 до 22 мм.

Стальные бесшовные трубы применяются для трубных проводок всех назначений внутри и вне помещений с толщиной стенок не менее 1 мм .

Длину соединительных линий необходимо выполнять такой, чтобы температура вещества, поступающего в дифманометр, была равна температуре окружающего воздуха. Внутренний диаметр труб, соединяющих кольцевые камеры или отдельные отверстия сужающего устройства с уравнительными или разделительными сосудами, должен быть не менее 12 мм. Установка вентилей в трубах соединяющих уравнительные сосуды и кольцевые камеры не допускается.

Трубные проводки следует прокладывать в местах, где окружающая температура изменяется в допустимых пределах (не ниже температуры замерзания). Трубопроводы необходимо защищать от воздействия агрессивных сред и механических повреждений. При монтаже следует обращать внимание на обеспечение доступа к трубам для их ремонта.

10. Запорная арматура

Импульсные линии приборов I контура благодаря своему количеству значительной протяженности при их повреждении создают опасность выхода радиоактивной среды.

Мерой, направленной на предотвращение последствий этого повреждения, является установка в месте отбора импульса автоматически действующего отключающего устройства. Другим средством предотвращения выхода активной среды через поврежденные импульсные трубки служат разделительные устройства мембранного типа, в которых мембрана отделяет активную среду от чистой жидкости. Недостатком этого решения является возникновение дополнительной погрешности вследствие конечной жесткости мембраны.

Рисунок 10.1 - Узел вентиля с присоединительными ниппелями

1 - вентиль; 2 - ниппеля; 3 - гайки.

Наиболее радикальным средством отключения поврежденной трубки является запорная арматура. С ее помощью поврежденная импульсная трубка отключается на время ремонта или замены.

В качестве вентилей применяются запорные прямоточные вентили с ответными ниппелями. Внутренний диаметр вентиля равный внутреннему диаметру импульсных трубок.

В зависимости от конкретного технологического процесса, условий эксплуатации и модели датчика также могут применяться вентильные системы, функционально обеспечивающие:

· подключение датчика к импульсным линиям;

· высокую степень герметичности;

· защиту от односторонней перегрузки;

· дренаж импульсных линий и датчика.

В конструкции вентильной системы (рисунок 10.2) предусмотрено два изолирующих вентиля 1, обеспечивающих отсечку каждой из двух импульсных линий в отдельности, и уравнивающий вентиль 2 для уравнивания давлений в измерительных камерах датчика.

Рисунок 10.2 - Схема подключения вентильной системы к датчику разности давлений

11. Термометр сопротивление типа ТСМ-9506

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводника изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Сопротивление проводника измеряется логометром или уравновешенным мостом, в комплексе с которыми термометры работают.

При измерении температуры термометр сопротивления полностью погружают в среду, температура которой определяется. При этом, если известна зависимость сопротивления от температуры, то по его изменению судят о температуре измеряемой среды.

Рисунок 11.1 - Габаритный чертеж термопреобразователя сопротивления

Измерительным узлом термопреобразователя является чувствительный элемент, представляющий собой намотку из проволоки и помещённый в защитную арматуру.

К числу достоинств электрических термометров сопротивления следует отнести:

· высокую степень точности измерения температуры;

· возможность градуировки шкалы прибора на любой допустимый измеряемый температурный интервал;

· возможность централизации контроля температуры путём присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления к одному измерительному прибору;

· возможность автоматической записи и дистанционной передачи сигнала измеряемой температуры [4, стр. 81].

Рабочий диапазон температур термопреобразователя сопротивления типа ТСМ-9506 находиться в пределах от -50 до +150°С, вероятность безотказной работы за 5000ч - 0,99; срок службы 15 лет.

12. Автоматический уравновешенный мост типа КСМ2

Для измерения и записи температуры на диаграммной бумаге в эксплуатационных условиях широко применяются вместе с термометрами сопротивления электронные автоматические уравновешенные мосты. В автоматических мостах уравновешивание происходит не вручную, а автоматически с помощью электродвигателя и специального балансировочного устройства.

Автоматические уравновешенные мосты, так же как и автоматические потенциометры, могут быть снабжены дополнительными устройствами для регулирования и сигнализации температуры, а иногда и преобразователями для дистанционной передачи показаний.

Эти мосты находят также применение для измерения других физических величин, изменения которых могут быть преобразованы в изменение активного электрического сопротивления.

Шкала автоматических уравновешенных мостов градуирована в градусах Цельсия и действительна для работы с термометрами сопротивления соответствующей градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности, которые соответствуют установленным классам 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5 аналогично, как и для автоматических потенциометров.

В настоящее время используются автоматические уравновешенные мосты типов КПМ, КВМ и КСМ1, КСМ2, КСМ3, КСМ4.

Конструкция и типоразмеры мостов серии КСМ полностью соответствуют типоразмерам автоматических потенциометров серии КСП. Автоматические уравновешенные мосты выпускаются как одноточечные, так и многоточечные (3, 6 и 12 точек контроля).

В автоматических мостах используется измерительная схема четырехплечного моста с реохордом.

Эта схема при обеспечении высокой точности измерения позволяет выполнять шкалы автоматического моста односторонние, двусторонние и безнулевые.

Рисунок 12.1 - Принципиальная схема автоматического электронного уравновешенного моста

Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста приведена на рис. 12.1. На этой схеме приняты следующие обозначения:

- сопротивление реохорда;

- сопротивление шунта реохорда;

- сопротивление конца шкалы прибора;

- сопротивление подстройки конца шкалы при градуировки прибора;

- сопротивление начала шкалы прибора;

- сопротивление подстройки начала шкалы при градуировки прибора;

, - сопротивление плеч моста;

- сопротивление ограничения силы тока питания измерительной схемы;

- сопротивление подгонки соединительных линии, идущих от термосопротивления к электронному мосту (по 2,5Ом каждое);

- сопротивление термометра сопротивления.

Термометр сопротивления подключается к автоматическому мосту по трехпроводной схеме, что значительно снижает дополнительную погрешность, вызванную изменением сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающего воздуха. Номинальное суммарное значение сопротивления соединительных проводов нормировано и установлено для каждого провода равным 5 Ом.

Мост работает следующим образом. При изменении температуры измеряемой среды изменяется сопротивление термометра RT, нарушается баланс моста и напряжение разбаланса подается от точек а и b измерительной схемы на усилитель. Выходной сигнал усилителя поступает на обмотку возбуждения реверсивного двигателя и приводит его во вращение. Вал реверсивного двигателя кинематически связанный с движком реохорда и кареткой перемещает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю. При этом мост приходит в новое состояние равновесия, реверсивный двигатель останавливается, а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соответствующее сопротивлению термометра в данный момент времени [4, стр. 101-104].

13. Кабельные линии

Для соединительной линии к термопаре используют кабель КВВГЭ 4x2,5.

Силовые используются для прокладки линий питания и командных линий с импульсами малой мощности.

Силовые кабели имеют малое число жил (до четырех) большого сечения (до 240мм²⁾, контрольные имеют число жил до 52 при сечении до 4 мм².

Силовые и контрольные кабели по типу электрической изоляции жил и по виду защитной наружной оболочки подразделяются на категории: со свинцовой защитной оболочкой и бумажной изоляцией, пропитанной специальным составом; со свинцовой защитной оболочкой и резиновой изоляцией; с пластмассовой оболочкой и резиновой изоляцией.

Также кабели различаются по типу внешнего покрова поверх защитной оболочки на группы: без брони; бронированные двумя стальными лентами без наружного покрова; бронированные двумя стальными лентами с наружным покровом из кабельной пряжи и бронированные круглыми стальными оцинкованными проволоками с наружным покровом из кабельной пряжи.

Силовые кабели выпускаются на рабочее напряжение 500В или 1000В. Контрольные только на напряжение до 500В.

Кабели, бронированные с ленточной стальной броней и с наружным защитным покровом применяются для прокладки в земле, траншеях и для наружных проводок с умеренной температурой.

Те же кабели, но без наружного защитного покрова применяются в помещениях, где они могут подвергаться механическим воздействиям. Кабели с бумажной изоляцией жил применяются при температуре жил не выше , а кабели с резиновой изоляцией при температуре жил до .

В качестве силовых кабелей и контрольных кабелей рекомендуется для проектируемого ИИК использовать такие марки: ВРБГ (бронированные без наружного покрова с резиновой изоляцией и полихлорвиниловой оболочкой) и КРВБГ, соответственно.

Для дистанционной связи дифманометра и КСП используют кабели с сечением 0,75-1,5 мм² с полиэтиленовой изоляцией в пластмассовой оболочке.

14. Проектирование и расчёт структурного состава ИИК

14.1 Расчёт и выбор расходомеров переменного перепада давления

Расчет расходомеров переменного перепада давления производится в соответствии с Правилами РД 5-213-80 "Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами".

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определение диаметра трубопровода при рабочей температуре по формуле:

D_t = K_t D₂₀,

где К_t - поправочный множитель на расширение материала трубопровода;

D₂₀ - диаметр трубопровода при температуре 20⁰С, м.

Так как температура измеряемой среды 160°С, то поправочный множитель К_t=1,0014.

мм.

2. Вычисление числа Рейнольдса при минимальном расходе по формуле:

,

где G_min -- массовый расход, кг/с;

D_t - внутренний диаметр трубопровода при рабочей температуре, м;

- динамическая вязкость измеряемой среды при рабочих условиях, . ;

Вычисленное число Рейнольдса, согласно зависимости граничного числа Рейнольдса от модуля сужающего устройства, больше граничного числа Рейнольдса, при котором коэффициент расхода сужающего устройства постоянен.

3. Коэффициенты расхода сопел и труб Вентури, соответствующего ему коэффициента расхода и произведения . Примем для мм, тогда ; .

4. По заданному максимальному расходу выбирается предельное значение шкалы вторичного прибора дифманометра из стандартного ряда чисел G_ш.м.= (1; 1.25; 1.6; 2; 2.5; 3.2; 4.5; 6.3; 8) 10ⁿ, где n -- любое целое положительное или отрицательное число или нуль.

Так как G_max=30т/ч, то примем G_шм=т/ч=8,889 кг/с.

5. Вычисление перепада давления в сужающем устройстве при максимальном расходе по формуле:

,

где вспомогательная величина С рассчитывается по формуле:

,

где G_ш.м. - массовый расход, кг/с;

D_t - диаметр трубопровода при рабочей температуре, м;

с - плотность измеряемой среды при рабочих условиях, кг/м³.

Па.

6. Вычисление потери давления в сужающем устройстве при верхнем пределе показания расходомера по формуле:

где Р'_п - потеря давления в процентах, для ;

Р_м - максимальный перепад давления на дифманометре, Па;

G_м - заданный максимальный расход;

G_ш.м - максимальное значение шкалы вторичного прибора

Па.

7. Из чисел стандартных перепадов давлений Р = (1; 1,6; 2.5; 4; 6,3)10ⁿ, где n - любое целое положительное или отрицательное число или нуль, на которые изготавливаются дифманометры, выбирается два ближайших значения большего и меньшего перепадов давления (берется вилка) Р₁ и Р₂

Па, Па

Для этих перепадов давлений вычисляем произведение:

,

,

.

Для того чтобы определить значение соответствующих модулей и , производится линейная интерполяция (рисунок 14.1 и 14.2), в результате которой получаем:

;

8. По графику зависимости для найденных двух значений модулей и принимается та потеря давления, которая равна или меньше заданной, и выбираем из ряда чисел дифманометр с соответствующим перепадом давления.

Для ; для .

Принимаем меньшее значение при ; Па.

9. Для принятого модуля сужающего устройства производится линейная интерполяция для нахождения коэффициента расхода . В результате получаем .

11. Определение диаметра отверстия СУ при :

,

м.

11. Проверка расхода по формуле:

,

где d - диаметр отверстия сужающего устройства, м;

и - поправочные множители на температурное расширение материала СУ и материала трубопровода соответственно. Поправочный множитель принимаем равным 1,0014, а равным 1,0025;

е- поправочный множитель на изменение плотности при прохождении измеряемой среды через сужающее устройство.

;

- табличное значение коэффициента расхода сужающего устройства с учетом поправки на шероховатость трубопровода и затупление входной кромки отверстия сужающего устройства;

- плотность измеряемого вещества, кг/м³;

- перепад давления на сужающем устройстве, Па.

т/ч.

Определение величины погрешности:

.

Так как полученное значение расхода отличаться больше, чем на 0,2% от заданного, то произведем изменение диаметра отверстия сужающего устройства и вновь сделаем два проверочных расчета по соответствующим формулам.

Для этого принимаем , тогда

,

м

Аналогично предыдущему расчету: ;

т/ч

Определение величины погрешности:

.

Делаем аналогичный расчет для , тогда

,

м

Этому модулю соответствует ,

т/ч

Определение величины погрешности:

.

Так как полученное значение расхода отличаться больше, чем на 0,2% от заданного, поэтому построим в масштабе зависимость от модуля и определим графически требуемый . Требуемый модуль должен быть равен

Для того чтобы определить значение коэффициента расхода СУ, производится линейная интерполяция из которого видно, что .

Аналогично предыдущему расчету: ;

м

т/ч

Определение величины погрешности:

.

Это значение удовлетворяет требованиям.

12. Определение необходимой длины прямого участка трубопровода перед сужающим устройством и после него, пользуясь графиками зависимости отношения длины прямого участка трубопровода к его диаметру от модуля СУ с учетом местных сопротивлений и их расположения относительно СУ.

Для прямого участка трубопровода перед трубой Вентури:

,

м

Для прямого участка трубопровода после трубы Вентури:

м

После расчетов необходимо произвести проверку длины прямого участка трубопровода перед сужающим устройством и после него, которые должны быть не менее :

м.

Следовательно, прямолинейные участки при монтаже имеют необходимые размеры.

14.2 Расчёт и выбор автоматических электронных мостов для измерения температуры

В основу расчета измерительной схемы положено условие равновесия электрического моста, суть которого состоит в том, что произведение сопротивлений крест-накрест лежащих плеч равны между собой.

Расчёт измерительной схемы автоматического моста произведём в следующей последовательности:

1) Определение сопротивления шунта реохорда:



где - эквивалентное сопротивление реохорда. У всех автоматических мостов эта величина приведена к стандартному значению и равна 90 Ом;

- сопротивление реохорда, выполненного из манганиновой проволоки и составляет 130 Ом.

Ом.

2) Определение величины сопротивлений плеч моста и .

Для этого по градуировочной таблице для термопреобразователя градуировки 50М находим:

Ом,

Ом.

Величина сопротивления находится из условия его равенства сопротивлению датчика в средней точке диапазона измерений, то есть

,

где - сопротивление подгонки соединительных проводов и равно 2,5 Ом.

Ом.

Для увеличения чувствительности измерительной схемы сопротивление берется равным сопротивлению :

Ом.

3) Для вычисления приведённого сопротивления реохорда пользуемся формулой:

,

Ом.

4) Определение сопротивления конца шкалы прибора (верхнего предела измерения) по формуле:

,

Ом.

5) Определение сопротивления начала шкалы по формуле:

,

Ом.

6) Определение сопротивлений подстройки начала и конца шкалы.

Величины переменных сопротивлений подстройки нижнего и верхнего пределов шкалы прибора и берутся равными 10% от величин сопротивлений и _.

Ом;

Ом.

7) Определение максимальной силы тока питания по формуле:

где - напряжение тока питания измерительной схемы.

- сопротивление ограничения тока питания, принимаем равным 62 Ом

Из соображений устранения самонагрева датчика током питания величина проходящего через него тока не должна превышать . Это условие выполняется.

8) Сопротивление измерительной схемы определяется из условия равновесия моста при сопротивлении термопреобразователя, равном началу шкалы прибора, по формуле:

,

Ом.

9) Минимальный разбаланс напряжения (мВ) на выходе измерительной схемы вычисляют по формуле:

где - класс точности прибора, %.

мВ.

10) По значениям рассчитанных сопротивлений из стандартизованного ряда выбираем номиналы элементов схемы и составляем спецификацию.

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом.

Поверочный расчёт структурной составляющей ИИК позволяет осуществить выбор трубы Вентури с расчётным модулем и соответствующими конструктивными размерами, подобрать вторичные приборы измерения температуры и расхода с измерительной схемой с параметрами, соответствующие рассчитанным или, произвести замену не удовлетворительных расчётам сопротивлений и сопротивления реохорда на рассчитанные проценты.

14.3 Конструктивный расчёт реохорда

Реохорд представляет собой круглую шину, на которую намотана манганиновая проволока сопротивления.

Зададимся удельным числом витков проволоки _., то есть числом витков, приходящихся на 1% шкалы потенциометра. Обычно удельное число витков берут равным 12-16.Примем . Тогда общее число витков будет равно:

витков

Длина намотки сопротивления реохорда равна:

где D - диаметр реохорда, выбираем из диапазона , принимаем равным ;

- центральный угол рабочей части намотки (обычно он равен ).

мм.

Диаметр намоточного провода равен:

По справочным данным находим диаметр манганинового провода и его сопротивление r, соответствующее длине одного метра провода. Сопротивление , диаметр

Тогда необходимая длина намоточного провода:

,

где - сопротивление реохорда.

м.

Диаметр шины реохорда, на которую наматывается манганиновый провод, определяется по формуле:

где l - длина одного витка провода, которая определяется по формуле:

,

м,

Конструктивный расчет определяет габаритные размеры реохорда, материал измерительной шины реохорда в соответствии с требованиями ГСП.

14.4 Расчет заземления

Заземлением какой-либо части электроустановки или другой установки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством.

Защитным заземлением называется заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.

Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения работы электроустановки.

Заземляющим устройством называется совокупность и заземляющих проводников.

Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.

Искусственным заземлителем называется заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.

Естественным заземлителем называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для целей заземления.

Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляющие части с заземлителем.

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Ток замыкания на землю - это ток, стекающий в землю через место замыкания.

Эквивалентным удельным сопротивлением земли с неоднородной структурой называется такое удельное сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой [8, стр. 65-67].

Выберем автоматический выключатель типа А3720Б с параметрами: ток расцепления - 250A; время расцепления t=0,25c.

Произведем расчет сопротивления заземлителя. Для электроустановок до 1кВ с изолированной нейтралью сопротивления заземления должно быть не более 4Ом [8, стр. 79].

(Ом)

Поскольку полученное значения сопротивления меньше 4Ом, то условие выполнимо.

Для определения расчетного удельного сопротивления грунта необходимо учитывать климатический коэффициент.

Удельное сопротивление грунта определим по формуле:

где - удельное сопротивление грунта;

- климатический коэффициент.

Произведем расчет сопротивления естественного заземлителя.

Для схемы заземления у поверхности грунта, расчет сопротивления естественного заземлителя произведем по формуле:

где - длина заземлителя, м;

- ширина заземлителя.

Выбираем и

Определение сопротивления искусственного заземлителя производится с учетом того, искусственные и естественные заземлители соединены параллельно и их общее сопротивление не должно превышать норму.

Определим по формуле сопротивление искусственного заземлителя :

где - сопротивления естественного заземлителя;

- расчетное сопротивление заземляющего устройства.

Считая, что естественное и искусственное сопротивления соединены параллельно, поэтому их общее сопротивления рассчитывается по следующей формуле:

Поскольку полученное значение сопротивления меньше , то условие выполнимо. Исходя выше проделанных расчетов в соответствии с ГОСТ 9941-72 выбираем трубу- Труба 100Ч4,5Ч1000кр.

15. Проверка расчета заземления

Проверим на термическую устойчивость заземлитель. Заземляющее устройство проверяется на термическую устойчивость при протекании по нему максимально возможного тока.

Форма заземлителя прямоугольная, следовательно:

Термическая устойчивость заземляющих проводов проверяется по формуле:

где - постоянный множитель (для стали );

- допускаемая температура кратковременного нагрева (для стали ).

( )

Так как , то условие выполнимо и заземляющее устройство посчитано верно с учетом требований, предъявляемых для электроустановок напряжением до 1кВ

16. Выбор технических и метрологических характеристик ИИК

Любой измерительный преобразователь или измерительный прибор работает в сложных изменяющихся во времени условиях. Суммарная результирующая погрешность, возникающая в таких условиях, называется основной погрешностью.

Дополнительной погрешностью называется изменение показаний прибора при отклонении условий эксплуатации от нормальных. В тяжелых рабочих условиях дополнительная погрешность может быть больше основной.

16.1 Технические и метрологические характеристики элементов ИИК

Технические характеристики блоков ИИК выбираются с учетом технического задания из технической и эксплуатационной документации и справочным данным на промышленное оборудование согласно ГСП.

Комплексной метрологической характеристикой является класс точности, который отражает уровень точности прибора. Он определяется пределами допускаемых погрешностей. Наибольшая допустимая приведенная погрешность прибора называется классом точности.

Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины называется чувствительностью прибора. Чувствительность характеризует способность измерительного прибора реагировать на изменение измеряемой величины.

Диапазон измерения - это область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности средств измерений. В пределах этого диапазона приведенные погрешности измерений не выходят за пределы класса точности.

Вариация прибора - это полученная экспериментально, наибольшая приведенная разность между повторными показаниями прибора, соответствующая одному и тому значению измеряемой величины, и полученная один раз при нарастании значений, а второй раз при снижении значения измеряемой величины. Вариация характеризует постоянство показаний прибора. Она является важной характеристикой качества измерительного прибора и не должна превышать класса точности.

Далее приведены некоторые технические характеристики элементов ИИК.

1. Сужающее устройство типа труба Вентури:

а) так как сужающее устройство не является средством измерения, то примем основную погрешность равную 1,0%;

2. Дифманометр типа «Сапфир 22М ДД»:

а) входной сигнал ;

б) выходной сигнал ;

в) предел допускаемой основной погрешности ;

г) класс точности .

3. Промежуточный преобразователь БИК 1:

а) входной сигнал , ;

б) предел допускаемой основной погрешности

4. Автоматический потенциометр типа КСП2:

а) основная погрешность по показаниям ;

б) основная погрешность по регистрации ;

в) вариация показаний не превышает нормирующего значения;

г) класс точности 0,5;

д) быстродействие не более 10с.

5. Термопреобразователь сопротивления типа ТСМ - 9506:

а) величина допустимого значения основной погрешности равна

б) показатель тепловой инерции 20с;

в) безотказная работа 5000 часов.

6. Автоматический уравновешенный мост типа КСМ 2:

а) основная погрешность прибора по показаниям ;

б) основная погрешность по регистрации ;

в) вариация показаний не превышает ;