Системы управления химико-технологическими процессами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Часть I. Автоматизированный контроль технологических параметров

Введение. Основные понятия

а) Структура измерительного устройства.

При любом виде управления производством одним из важнейших этапов является получение информации о состоянии объекта управления. Этот этап связан с определением (измерением) различных величин (давление, температура, расход и т.д.), отражающих ход технологического процесса.

Следовательно, чтобы управлять производством, надо сначала измерить необходимые величины.

Под измерением понимают нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называют измерительным прибором.

Средство измерения, вырабатывающее сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не позволяющее наблюдателю осуществить непосредственное восприятие, называют измерительным преобразователем.

В измерительной технике используют понятие первичный измерительный преобразователь (датчик) - чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий контролируемую или регулируемую величину.

Датчики классифицируют по ряду признаков:

1. по виду контролируемой величины (датчики давления, температуры, уровня и т.д.)

2. по принципу действия (см. ниже.)

3. по виду и характеру выходного сигнала.

Сигналы могут быть непрерывными или прерывистыми (дискретными).

Основная характеристика датчиков - статистическая характеристика - зависимость выходной величины датчика от входной в установившемся режиме.

.

Чувствительность датчиков или их коэффициент усилий определяется как

,

где и - номинальные значения входа и выхода

порог чувствительности датчика - наименьшее изменение входной величины, которое вызывает изменение выходной величины, превышающее уровень шумов на выходе.

Требования к датчикам в САР

1) Линейность статической характеристики

2) Большая чувствительность

3) Быстродействие

4) Высокая надежность.

Датчики находятся в особо тяжелых условиях эксплуатации: они размещаются либо на самом объекте контроля и управления, либо возле него, работают при переменных tC и Р окружающей среды, часто в условиях вибраций и сотрясений. Поэтому обеспечение высокой эксплуатационной надежности - одно из главных требований к датчикам

б) Методы измерения.

1) В тех случаях, когда измерительные приборы для удобства обслуживающего персонала устанавливаются на самих объектах контроля ("по месту"), значение контролируемой величины считывается здесь же с помощью показывающих приборов (Здесь имеет место - местный контроль, при местном контроле необходимо учитывать условия работы самого объекта контроля. Применяется редко.).

2) В большинстве случаев измерительные приборы, необходимые для получения информации о процессе, устанавливают не "по месту", а в специальном помещении (диспетчерская), размещая их на щитах и пультах. Рядом с объектом располагают только первичный преобразователь - датчик. Системы, позволяющие вести контроль объекта на расстоянии называются системами дистанционного контроля. Они состоят из датчика, канала связи и вторичного прибора.

Схема дистанционного контроля

Д - датчик,

КС - канал связи,

ВП - вторичный прибор.

в) вторичный прибор - устройство, воспринимающее сигнал от датчика и преобразующее его в перемещение указателя относительно шкалы, а также осуществляющее, в случае необходимости, запись значений контролируемой величины.

В качестве вторичных приборов широко применяются мосты, дифференциально-транспортные приборы и приборы, основанные на компенсационном методе измерения (потенциометры).

I-1 Измерение механических перемещений

Наиболее часто для этой цели применяются реостатные, емкостные и индуктивные датчики.

Типичными представителями реостатных датчиков являются:

Потенциометрические датчики, служат для преобразования перемещения в электрическое напряжение

R - сопротивление потенциометра

Найдем зависимость



При , и

;

т.е. зависимость линейна только при .

При она нелинейна, поэтому при использовании потенциометрических датчиков следует: обеспечить неравенство . Чувствительность потенц. датчика (В/см).

На базе потенциометрических датчиков выполняются многие ИЭ.

Например, поплавковый датчик уровня



Индуктивные датчики - преобразуют перемещение в изменение реактивного (индуктивного) сопротивления. Рассмотрим схему простейшего датчика. Принцип его действия основан на изменении индуктивного сопротивления

Найдем зависимость .

Индуктивность обмотки

, где - витки, - магнитное сопротивление.

; - сопротивление железа, - сопротивление зазора.

; ; - длина силовой линии, - сечение железа.

, т.к. =1, тогда

.

При условии, что воздушный зазор не слишком мал и его магнитное сопротивление >> сопротивления железа, т.е.

при м>>1 - первое допущение.

Следовательно, имеем:

;

По закону Ома ток в цепи равен:

.

Считаем, что активное сопротивление обмотки << индуктивного сопротивления (- второе допущение), тогда:

. Или, оборотная

.

То есть при сделанных допущениях зависимость линейна. Сделанные допущения сказываются при малых и больших зазорах, т.к. м имеет конечное, а не бесконечное значение, L также конечна, и поэтому I?0, а тоже конечен.



При больших Х R становится >>L, и поэтому ток . Реальная характеристика изображена зеленой линией

Чувствительность датчика .

Индукционные датчики находят широчайшее применение и имеют множество модификаций: трансформаторные, дифференциально-трансформаторные. На этом же принципе построены и сельсины.

Рассмотрим несколько схем:

а) дифференциальный индуктивный датчик

Его достоинства:

1) реверсивная характеристика; 2) линейность характеристики; 3) чувствительность больше в 2 раза, чем у нереверсивной.

б) дифференциально-трансформаторный датчик

Емкостные датчики - преобразует измеряемую величину в изменение реактивного (емкостного) сопротивления.

е - диэлектрическая проницаемость,

d - расстояние между обкладками,

x - измеряемое перемещение.



т.е. зависимость нелинейна. Поэтому емкостные датчики часто применяются для сигнализации, но не для непрерывного измерения.

Контроль температуры

Температура - величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы - эта величина прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц вещества (молекул или атомов).

Измеряется температура (по термодинамической шкале - Т) в кельвинах (К) и (по международной практической шкале t) в градусах Цельсия (С). Соотношение между температурами: Т=t + 273,15 К

Приборы для измерения температуры по принципу действия делятся на:

А. Термометры для измерения температуры контактным методом:

1. Термометры расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкости или твердых тел.

2. Манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением термометрического вещества в замкнутой термосистеме.

3. Термометры сопротивления, использующие изменение электрического сопротивления вещества при изменении температуры окружающей среды.

4. Термоэлектрические термометры, действие которых основано на изменении термоэдс термометры при изменении температуры среды, в которую она помещена.

Б. Термометры для изменения температуры бесконтактным методом.

1. Яркостные термометры, измеряющие яркость нагретого тела в узком диапазоне длин волн излучения.

2. Радиационные - для измерения температуры по тепловому действию лучеиспускания накаленного тела во всем спектре длин волн.

§1. Термометры расширения

Термометры расширения (ртутные и спиртовые) хотя и обладают сравнительно высокой точностью в АСР не применяются, поскольку не дают возможности регистрации температуры и получения пропорционального ей сигнала. Термометры расширения используются в основном для лабораторных целей. Диапазон измерения -100С ч +750С.

§2. Манометрические термометры

1 - термобаллон,

2 - капиллярная трубка,

3 - манометр.

Устройство манометрических термометров содержит термабаллон, капиллярную трубку, вторичный прибор - манометр, служащий для измерения давления и проградуированный в единицах температуры. Манометрические термометры надежны в работе и используются в основном для измерения температуры и сигнализации. В качестве измерительных элементов автоматических систем регулирования применяются редко, хотя и выпускаются с автоматическим выходом.

Манометрический термометр

§3. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры - устройства для измерения температуры, в комплект которых входит электроизмерительный прибор (милливольтметр, потенциометр) и термопара, соединенные электрическими проводами.

Принцип действия этих термометров основан на явлении термоэлектрического эффекта: если между горячим и холодным спаями термопары.

Существует разность температур:

, то между свободными концами термопары возникает термоэдс, величина и направление которой зависят от материалов электродов и от разности температур.

Если температура холодного спая = const, а температура горячего спая равна температуре контролируемой среды, в которую помещена термопара, то эдс термопары Е(t, t o) будет отражать изменения контролируемой температуры.

Для поддержания температуры холодных спаев термопары постоянной и известной применяются специальные устройства:

В производственных условиях, когда в комплекте с термопарой работает милливольтметр, термостатирование холодных спаев осуществляется либо с помощью специального термостата, либо с помощью специальной компенсационной коробки, осуществляющей автоматическую коррекцию.

Схема автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары имеет вид:

Автоматический корректор выполнен по схеме неуравновешенного моста, плечи которого в виде небольших катушек из манганиновой () и медной () проволоки смонтированы внутри коробки. Мост питается постоянным током (диагональ cd). Провода термопары подсоединяются к зажимам а и б'.

При температуре +20С мост находится в равновесии и не оказывает влияния на т.э.д.с. термопары. Отклонение температуры воздуха от +20С изменит величину медного сопротивления , нарушит равновесие моста и в диагонали появится разность потенциалов, равная по величине и противоположная по знаку изменению т.э.д.с. Термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от +20С.

Термопара может быть изготовлена из любой пары разнородных проводников, однако далеко не всякая такая термопара будет пригодна для практических целей, поэтому термоэлектродные материалы должны отвечать следующим требованиям:

стойкость в диапазоне измеряемых температур (неизменность физических и химических свойств);

возможно большая т.э.д.с.;

однородность материалов, обеспечивающая взаимозаменяемость термопар.

В нашей стране в качестве стандартных приняты и серийно изготавливаются пять типов технических термопар:

ТПП (платинородий - платина), (-20ч1300)

ТПР (платинородий 30%родия - платинородий 6% родия) (300 - 1600)

ТХА (хромель - алюмель) (-50 - 1000)

ТХК (хромель - копель) (-50 - 600С)

ТВР (вольфрам - рений) (800-1800)

В качестве вторичных приборов в комплекте с термопарой применяются милливольтметры магнитоэлектрической системы и потенциометры.

Потенциометрический или компенсационный метод измерения заключается в уравновешивании неизвестной измеряемой т.э.д.с. известным падением напряжения от постороннего источника тока, которое в момент равновесия измеряется с высокой точностью.

Принципиальная схема потенциометрического метода измерения температуры имеет следующий вид:



,

Такая схема измерения применяется в потенциометрах типа ПП.



Принципиальная схема автоматического потенциометра

В автоматических электронных потенциометрах типа КСП (см. рис.) измеряемая ТЭДС компенсируется падением напряжения на сопротивлении реохорда R, зависящего от положения движка реохорда, и на сопротивлении . Если т.э.д.с. термопары Е(t, t0) не равна падению напряжения на указанных сопротивлениях, то напряжение разбаланса падает на электронный усилитель (ЭУ). Реверсный двигатель (РД), вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок потенциометра R.

Для компенсации т.э.д.с. от изменения температуры холодного спая сопротивление R1 выполняет из меди.

§4. Электрические термометры сопротивления

Электрические термометры сопротивления представляют из себя датчики сопротивления, в которых используется свойство материалов изменять свое сопротивление электрическому току в зависимости от температуры. Для изготовления термометров сопротивления применяются металлы (с положительным ТКС - температурным коэффициентом сопротивления) и полупроводники (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления). Термометры сопротивления из полупроводников называются термисторами.

Термометры сопротивления по материалу чувствительного элемента подразделяются на платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Термисторы выполняются из окислов металлов и других полупроводников. Они имеют больший температурный коэффициент сопротивления, чем металлические термометры сопротивления.

4. Электрические термометры сопротивления.

Принцип действия электрических термометров сопротивления основан на свойстве проводниковых и полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей их среды. При повышении температуры металлы увеличивают свое сопротивление (), а полупроводниковые - уменьшают (), статистические характеристики проводниковых (1) и полупроводниковых термометров сопротивления имеют вид:

проводниковые термометры сопротивления изготавливаются, как правило, из платины (ТСП) или меди (ТСМ). Технические термометры сопротивления выпускаются взаимозаменяемыми, т.е. стандартных градуировок: они имеют строго определенные значения сопротивления при 0С ().

Полупроводниковые термометры сопротивления изготавливаются из окислов различных металлов (титана, меди, кобальта и др.)

Достоинствами п/п термометров сопротивления (термисторов) являются их: 1) малые габариты и 2) очень большой температурный коэффициент (в 8ч15 раз больше, чем Pt и Cu), что повышает чувствительность п/п термометров.

Недостаток: большой разброс параметров от образца к образцу, что затрудняет взаимозаменяемость полупроводниковых термометров.

а) Принципиальные схемы вторичных приборов, работающих в комплекте с термометрами сопротивления.

В качестве вторичных приборов применяются

1. Логометры (логос - отношение, метрео - измеряю). Выпускаются серийно нашей промышленностью для работы в комплекте с термометрами сопротивления стандартных градуировок.

Упрощенная схема имеет следующий вид: (см. рис.)

Между полюсами постоянного магнита находится неподвижный цилиндр из мягкого железа. Зазор между полюсами магнита и цилиндрическим сердечником неравномерен, он минимален в средней части и увеличивается к периферии. В зазоре находится подвижная система, состоящая из 2-х рамок и , расположенных под углом друг к другу и жестко скрепленных.



Подвижная система может поворачиваться "по" или "против" часовой стрелки относительно горизонтальной оси, на которой укреплена стрелка.

Угол поворота такой подвижной системы (показ. стрелки) определяется отношением токов, проходящих через рамки и , т.е.

, т.к. 1

В момент равновесия вращающие моменты рамок равны:

; ;

, - постоянные, зависящие от геометрических размеров и числа витков;

, - индукции в зоне расположенных рамок;

(*), в этом случае стрелка находится против начальной отметки шкалы. (- соответствует нулевой температуре). Если изменится измеряемая температура, равенство (*) нарушится, т.к. изменится величина . Действительно,

Соотношение токов нарушается, , рамки будут поворачиваться до тех пор, пока первая рамка () не попадет в область большего зазора. уменьшится, . Когда вновь станет равным , подвижная система остановится, стрелка зафиксирует новое значение tС.

Важным достоинством логометра является то обстоятельство, что угол поворота подвижной системы не зависит от э.д.с. источника питания.

2. Уравновешенные мосты.

Принципиальная схема уравновешенного моста изображена на рис.

При равновесии моста

при условии, что , т.к. температура окружающей среды не меняется.

На точности показаний прибора здесь также не сказываются колебания напряжения питания.

Если подводящие проводники медные (), то их сопротивление заметно изменяется при изменении температуры окружающей среды, что вносит ошибку в результаты изменений.

Чтобы уменьшить погрешность, обусловленную колебаниями сопротивления подводящих проводов, применяют так называемое "трехпроводное" подключение . При такой схеме включения источник питания вместо вершины Д подключается к клемме головки термометра.

Уравнение равновесия моста в этом случае будет иметь вид:

;

Условие инвариантности схемы от :

, т.е. - достигается только в одной точке шкалы.

Для уменьшения общей погрешности в качестве этой точки принимают середину диапазона шкалы, тогда погрешности в начале и конце шкалы будут одинаковы.

Автоматическое уравновешивание моста осуществляется так же, как и автоматическая компенсация т.э.д.с. в потенциометрах - {KCM}.

Автоматические мосты наряду с автоматическими потенциометрами широко применяются в промышленности.

При t> 200ч300С применяются потенциометры

При t<200ч300С применяются мосты.

§5. Пирометры излучения

Принцип действия основан на зависимости между температурой и интенсивностью светового излучения (суммарного или на определенной длине волны) раскаленного тела. Применяются для измерения сверхвысоких температур (1500 и выше) - обычно температуры пламени, горения газа или топлива.

Основное достоинство - бесконтактное измерение сверхвысоких температур, для измерения которых непригодны контактные датчики.

Яркостные пирометры - основаны на зависимости яркости (интенсивности) монохроматического излучения (т.е. в узком диапазоне спектра, одноцветного) от температуры.

В яркостных пирометрах сравнивается яркость монохроматического излучения двух тел: эталонного и измеряемого (диапазон измерения (800ч4000С). В качестве эталонного тела обычно используется нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируется силой тока через лампу. Изменяя силу тока через нить накаливания добиваются (вручную или автоматически), чтобы яркости нити и измеряемого тела не отличались.

Большее применение в практике получили радиационные пирометры основанные на зависимости суммарной мощности излучения раскаленного тела от температуры. Для измерения мощности излучения используются теплоприемник, в качестве которого используются батарея последовательно соединенных ?малоинерционных термопар или Т.С.

II. Контроль давления

Давление - физическая величина, определяемая отношением нормальной составляющей силы (dF) к площади (dS), на которую действует сила, т.е.

при равномерном распределении силы F по поверхности площади S давление выражается формулой:

Единица давления в системе СИ:

В эксплуатации находится большое число приборов, шкалы которых градуированы в атмосферах, поэтому необходимо помнить, что

Т.к. Па - единица небольшая (невелика), то широко используются кПа (килопаскаль) , МПа (мегапаскаль) , ГПА (гигапаскаль)

Различают давление абсолютное (Рабс), избыточное (Ризб) и атмосферное (барометрическое) (Ратм (Рбар)).

Избыточное давление - превышающее давление над атмосферным.

Абсолютное давление (полное) определяется как сумма атмосферного и избыточного:

Приборы для измерения давления по диапазону измерения делятся на:

1. манометры - для измерения избыточного давления,

2. вакуумметры - для измерения разряжения,

3. напорометры - для измерения малых избыточных давлений,

4. тягомеры - для измерения малых разряжений,

5. диф. манометры - для измерения разности давлений:

барометры - для измерения атмосферного давления.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на жидкостные, поршневые, пружинные и электрические.

Поршневые манометры обладают очень высокой точностью (0,02ч0,2%) и применяются для градуировки и поверки других типов манометров.

Принцип действия электрических манометров основан на преобразовании давления в электрическую величину. Эти манометры имеют сложную конструкцию и применяются в специальных случаях, когда применение других типов приборов невозможно.

Жидкостные и пружинные манометры наиболее широко распространены в промышленности вследствие своей простоты, достаточно высокой точности и невысокой стоимости.

§1. Жидкостные манометры

Принцип действия жидкостных манометров основан на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости. В качестве рабочей жидкости в зависимости от величин измеряемого давления применяются: вода, спирт и минеральные масла небольшой вязкости.

Наиболее распространенным и простым по устройству является U-образный манометр Р, который представляет из себя U-образную стеклянную трубку (1) до половины заполненную рабочей жидкостью (2).

При превышении давлением Р1, давления Р2 уровень (Р1>Р2) в левом колене трубки опустится, а в правом поднимется.

Измеряемое давление будет пропорционально величине h.

, если

- плотность жидкости;

- сечение трубки.

В производственных условиях широко применяются поплавковые манометры, которые выпускаются с электрическим выходом.

К жидкостным манометрам относятся колокольный манометр, который состоит из сосуда с жидкостью (1). Чувствительным элементом является колокол (2), опущенный в сосуд с жидкостью. Измеряемое давление () вводится в пространство под колоколом через специальный штуцер. К колоколу крепится коромысло (3), к которому крепится управляющий груз G (4) и показывающая стрелка (5).

S - сечение колокола.

При малых

, где

При результирующая сила поднимает колокол до тех пор, пока моменты на коромысло от этой силы и груза G не уравняются.

Колокольные приборы также выполняются с электрическим выходом. В качестве датчика перемещения в этом случае можно использовать дифференциально-трансформаторный датчик, механически соединив его плунжер с колоколом манометра.

В качестве вторичных приборов с колокольными манометрами используются приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой.

При номинальном давлении плунжер П занимает среднее положение и

.

Если давление изменится, то , тогда и АД будет вращаться перемещая кулачок К, который кинематически связан с АД, и показывающую стрелку.

Такая схема применяется во втор. приб. типа КСД.

Следящая система этих приборов аналогична следящей системе мостов и потенциометров. В ней используются два одинаковых дифференциальных трансформатора: левый по схеме дифференциальный трансформатор задания связан с колоколом, правый - дифференциальный трансформатор обратной связи.

§2. Порошковые манометры

Поршневые манометры обладают очень высокой точностью (0,02ч0,2%) и применяются для градуировки и поверки других типов манометров (рисунок 20).

Схема поршневого манометра.

Поршень 1 помещен в цилиндр с маслом и находится в равновесии при равенстве действующих на него сил:

, где

- сечение цилиндра, - вес груза, помещаемого на тарелку для уравновешивания поршня, - вес поршня.

Таким образом,

Установка для поверки манометров имеет вид, изображенный на рисунке.



Схема градуировки и поверки манометров.

Меняя величину груза, можно создавать разные давления с очень высокой точностью и отградуировать или поверить таким образом любой манометр. Пределы измерения 0ч25000 кг/см2.

§3. Пружинные манометры

Пружинные манометры наиболее широко распространены в промышленности вследствие своей простоты, компактности и достаточной точности (0,5ч4%). Принцип действия приборов основан на преобразовании измеряемого давления в упругую деформацию элементов и измерении величин этой деформации. По виду упругого элемента различают несколько типов пружинных манометров.

а) Приборы с трубчатыми пружинами.

Наибольшее применение имеют приборы с трубчатой пружиной. Такие пружины применяются в манометрах, вакуумметрах, дифманометрах. Чувствительный элемент прибора - пружина, одновитковая или многовитковая (геликоидальная) - 6ч9 витков.

Прибор с одновитковой пружиной (рисунок а) представляет собой согнутую по дуге окружности на 180ч270 трубку б) эллиптического или в) овального сечений.



Прибор с одинаковой трубчатой пружиной.

Одним концом трубка заделана в держатель, второй конец свободен и связан с показывающей стрелкой.

Если малая ось а эллиптического или овального сечения трубки увеличивается (некруглое сечение трубки изменяет свою кривизну), трубка распрямляется. При эллипс сплющивается, и пружина закручивается. При этом в некотором диапазоне перемещение свободного конца трубки пропорционально изменению давления. При превышении этого диапазона трубка распрямляется совсем и теряет упругость, т.е. сохраняет остаточную деформацию и не может быть более использована для измерения давления.

Манометры с одновитковой пружиной изготавливаются с электрическим (или пневматическим) выходом. В первом случае свободный конец пружины скрепляется с плунжером дифференциального трансформатора.

Манометры с многовитковой пружиной имеют такой же принцип действия с той лишь разницей, что чувствительность многовитковой пружины значительно больше.

б) Мембранные манометры.

В мембранных манометрах чувствительный элемент - мембрана. Давление преобразуется в прогиб мембраны. Для увеличения жесткости мембраны она гофрируется (рисунок а). Для увеличения чувствительности мембран они соединяются попарно в мембранные коробки (сваркой или пайкой по периметру мембраны). Возможны 2 варианта:

1) Внутренняя полость коробки герметично запаяна и не имеет связи со средой (рисунок б). Внутренняя полость заполнена газом с очень малым давлением (Рвнутр=0,01мм.рт.ст.), измеряемое давление воздействует на коробку снаружи. Такие коробки называются анероидными и применяются в барометрах для измерения атмосферного давления.

2) Измеряемое давление подается внутрь полости (рисунок в). Снаружи коробка находится под атмосферным давлением. Такие коробки называются манометрическими.

Мембранные манометры

Для еще большего увеличения чувствительности мембранные коробки могут соединяться в блоки манометрических или анероидных коробок.



Блок мембранных коробок.

Широко распространена для измерения давления или разности давления схема дифференциального манометра.

Схема дифференциального манометра.

Дифференциальный манометр состоит из 2-х сообщающихся мембранных коробок, расположенных в плюсовой и минусовой камерах. Давление в «+» камере должно быть больше, чем в «-». Под действием разности давлений нижняя мембранная коробка сжимается и давление передается верхней коробке, с верхним центром которой связан плунжер дифференциального трансформатора. Таким образом, каждому давлению (разности давлений) соответствует определенный электрический сигнал.

В рассмотренных схемах мембрана выполняет 2 функции: чувствительного элемента (за счет прогиба) и элемента, уравновешивающего давление (за счет сил, возникающих при упругой деформации).

Применяются такие "вялые", т.е. неупругие мембраны, выполняющие только первую функцию, вторую функцию при этом выполняет пружина.

в) Сильфонные манометры.

Чувствительный элемент - тонкостенный гофрированный цилиндр (из латуни или бронзы), называемый сильфоном или гармониковой мембраной (см. рис.)

При изменении измеряемого давления меняется длина сильфона. Для увеличения жесткости и уменьшения нелинейности характеристики внутрь сильфона часто помещается винтовая пружина.

Схема сильфонного манометра.

Пружинные манометры находят наиболее широкое применение среди всех типов манометров.

§4. Электрические манометры

Действие приборов этой группы основано на преобразовании давления в электрическую величину.

а) Манометры сопротивления, основаны на изменении сопротивления материалов (металлов и полупроводников) под действием давления. Применяются для измерения больших давлений.

б) Емкостные манометры, основаны на зависимости емкости от давления (при изменении давления меняется расстояние между обкладками и, значит, емкость).

в) Пьезометрические манометры, основаны на пьезоэффекте - появлении электрических зарядов в некоторых телах (например, кристаллы кварца, титаната бария и др.) под воздействием внешней механической силы.

г) Манометры ионизационные или радиоактивные, основаны на зависимости между степенью ионизации газа (характеризуемой электрическим током) и его давлением.

Электрические манометры сложны, поэтому применяются только в специальных случаях, когда применение других типов приборов невозможно.

§5. Преобразователи сигналов

Выходными сигналами первичных преобразователей могут быть т.э.д.с. термопары, электрическое сопротивление термометра, прогиб мембраны манометра и т.п.

Большое разнообразие первичных преобразователей с физически разнородными выходными сигналами требует значительной номенклатуры контрольно-измерительных и регулирующих устройств, что затрудняет их эксплуатацию и ремонт.

Поэтому в целях рационализации проводятся работы по объединению отдельных систем и приборов в рамках ГСП.

Для теплоэнергетических параметров (tC, Р, расход, уровень) ГСП состоит из 3 ветвей, объединен. приб. с электрическим токовым (аналоговым), электрическим частотным (дискретным) и пневматическим выходным сигналами.

Установлены следующие унифицированные выходные сигналы:

для эл. анал. ветви (ГОСТ 9685-61) - величина постоянного тока 0-5 ма и 0-20ма, напряжение постоянного тока 0-10 в и напряжение переменного тока 0-2в; для электрической част. ветви - частота 1500-2500Гц, для пневматической ветви (ГОСТ 9468-60) - давление сжатого воздуха с предел. измер. 0,2-1,0 кг/см2.

I-IV. Измерение уровня

Уровень - мера заполнения емкости. Измеряется уровень в единицах длин. Приборы для измерения уровня называются уровнемерами.

Уровнемеры для жидкостей

а) Указательные стекла работают на принципе сообщающихся сосудов. Уровень фиксируется визуально по заполнению стеклянной трубки, сообщающейся с емкостью, в которой измеряется уровень.

б) Поплавковые уровнемеры

В поплавковых уровнемерах за уровнем жидкости следит поплавок, перемещения которого передается на показывающее устройство или на датчик, преобразующий перемещение в электрический сигнал.

Поплавок подвешен на тросе, для натяжения которого служит груз G. С тросом связана показывающая стрелка.

В этом случае перемещение поплавка потенциометрическим датчиком преобразуется в электрический сигнал.

Недостаток таких уровнемеров - перевернутая шкала.

в) Пьезометрические (гидростатические) уровнемеры

Основаны на компенсации гидростатического давления столба жидкости (пропорционального уровню) давлением продуваемого через нее воздуха. Рассмотрим схему наиболее часто применяющегося пьезометрического уровнемера с пьезометрической трубкой.

G=const

В емкость, уровень жидкости в которой измеряется, помещается пьезометрическая трубка, через которую продувается воздух. Норма подачи воздуха 60-100 пузырьков в минуту. Очевидно, что пузырьки появляются при равенстве давления в трубке гидростатическому давлению, т.е. , поэтому давление воздуха может служить мерой уровня и измеряющей его манометр можно проградуировать в ед. уровня. Следует помнить, что давление зависит, кроме того, и от расхода , поэтому необходимо стабилизировать расход воздуха в трубке - недостаток.



г) Дифманометрические уровнемеры являются разновидностью пьезометрического, т.е. основаны тоже на измерении гидростатического давления. Разница в способе измерения. В предыдущем случае - компенсационный способ, а в данном - непосредственное измерение разности давления дифманометром. Дифманометр, а не просто манометр, чтобы исключить влияние атмосферного давления, т.е. измерить только избыточное гидростатическое давление.

д) Электронный емкостной уровнемер.

Содержит емкостной датчик, преобразующий изменение уровня жидкости в изменение электрического сигнала. Емкостной датчик (чаще всего цилиндрический) представляет из себя трубку, погруженную в сосуд. В трубку коаксиально вставлен стержень. Стенки трубки и стержень служат обкладками конденсатора. Диэлектрическая проницаемость воды меньше диэлектрической проницаемости воздуха, поэтому при изменении уровня вода заполняет пространство между обкладками, и емкость датчика меняется.

Для получения электрического выхода датчик подключается к следующей схеме:

Схема представляет LC-генератор в/ч колебаний, собранный на лампе Л1. Генератор имеет резонансный контур, состоящий из индуктора Lк и емкости Ск. (Ср - разделительная емкость). С контуром генератора индуктивно связан мост: C1, Cдатч., L1, L2. При изменении емкости датчика мост разбалансируется и частота колебаний генератора меняется. Напряжение небаланса снимается с диагонала моста, выпрямляется (Д1, Д2), фильтруется (Сф, Rф) и подается на показывающий прибор. Чаще всего электронные уровнемеры используются не для измерения, а для сигнализации уровня (МЭСУ).

е) Радиоактивные уровнемеры применяются для измерения уровня жидкостей и твердых сыпучих тел. Рассмотрим одни из применяющихся бесконтактных радиоактивных уровнемеров.



В бункер помещаются две герметичные вертикальные трубы. В одной трубе - датчик радиоактивного излучения (1), в другой - приемник (2). Датчик и приемник с помощью тяг связаны с коромыслом (3), которое в свою очередь тросом связано с вращающимся барабаном (4). Т.о. датчик и приемник синхронно перемещаются вертикально по трубам. Выходной сигнал приемника излучения подается на электрический блок, управляющий двигателем. С валом двигателя связаны ось барабана и показывающая стрелка.

При включении прибора система датчик-приемник начинает опускаться, т.к. сигнал от приемника излучения большой. Как только достигается верхний уровень материала, излучение резко ослабляется, и двигатель останавливается.

Таким образом, система следит за верхней кромкой (т.е. уровнем материала).

Следует отметить, что для измерения уровня сыпучих тел еще не создано достаточно простых и надежных приборов.

I-V. Измерение количества и расхода вещества

В химических производствах постоянно приходится иметь дело с точным отмериванием (дозированием) или непрерывной подачей определенной массы либо определенного объема жидких, газообразных, парообразных и твердых веществ в единицу времени или за некоторый промежуток. Эти вещества либо участвуют в химических реакциях, либо идут на дальнейшую переработку, либо являются конечным продуктом производства.

Т.о., имеется необходимость определения количества и расхода жидкостей, газов и паров.

Количество вещества определяется массой (М) или объемом (V), протекающим через рассматриваемое сечение канала (например, трубы) за какой-то произвольно взятый промежуток времени. Приборы, измеряющие количества вещества, носят название счетчиков вещества.

Единицы измерения: кг (для измерения массы вещества), м3 (для измерения объема вещества).

Расход вещества в данный момент времени - это отношение массы dM или объема вещества dV, протекающего через сечение трубы или другого канала за некоторый промежуток времени dt, к этому времени при условии, что значение последнего стремится к 0, поэтому мгновенный расход выражается формулами:

объемный , массовый .

Если расход не изменяется во времени, то его можно определять соотношениями:

;

- промежуток времени, за который изм-ся расход.

.

(т.е. как количество вещества в ед. времени)

Единицы измерения: кг/с и м3/с

§1. Измерение количества твердого вещества

Количество твердого кускового и сыпучего вещества принято измерять массовыми единицами с помощью взвешивания на весах, принцип действия которых основан на уравновешивании момента, создаваемого измеряемой массой твердого тела, моментом, создаваемым калиброванным грузом.

Весы делят на рычажные и поворотные при промышленных измерениях используются автоматические весы периодического и непрерывного действия.

Широко применяются порционные весы, которые автоматически отмеривают определенные порции измеряемого материала, непрерывно поступающего из загрузочного бункера, сбрасывают материал в приемную емкость, а счетчик весов суммирует отмеренные дозы. Обычно эти весы имеют опрокидывающий ковш или открывающееся дно ковша.

Весы для непрерывного взвешивания характерны тем, что конструктивно они неразрывно связаны с системой транспортирования материала.

§2. Измерение количества жидкостей и газов

По принципу действия счетчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объемные.

В объемных счетчиках поступающая в прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными, равными по объему дозами, которые затем суммируются.

Примером объемного счетчика может служить объемный счетчик жидкости с овальными шестернями. Действие этого счетчика основано на вытеснении определенных объемов жидкости из измерительной камеры прибора овальными шестернями, находящимися в зубчатом зацеплении и вращающимися под действием разности давлений во входном и выходном патрубках прибора.

Схема такого прибора имеет вид:

В первом исходном положении шестерня 2 находится под действием крутящего момента, создаваемого разностью давлений во входном и выходном патрубках, и вращается по часовой стрелке, причем жидкость из полости 1 и полости, находящейся под шестерней 3, вытесняется в выходной патрубок. Крутящий момент шестерни 3 равен 0, т.к. ее поверхности находятся под одинаковым входным и выходным давлением, следовательно, шестерня 2 ведущая, 3 - ведомая.



В промежуточном положении II шестерня 2 вращается в прежнем направлении, но ее крутящий момент будет меньше, чем в положении I. На шестерню 3 под действием разности давлений во входном и выходном патрубках действует крутящий момент, направленный против часовой стрелки. В этом положении обе шестерни ведущие.

В III положении шестерня 3 находится под действием большого крутящего момента и является ведущей, в то время как крутящий момент шестерни 2 равен 0.

В любом положении суммарный крутящий момент обеих шестерен остается постоянным.

За время одного оборота (один цикл работы счетчика) полости 1 и 4 два раза запоминаются и два раза опорожняются. Объем 4-х доз жидкости, вытесненной из этих полостей, и составляет измерительный объем счетчика.

Счетчики с овальными шестернями могут применяться для измерения количества неагрессивных нефтепродуктов, кислот, щелочей, нейтральных жидкостей, жирных кислот и др.

Объемный счетчик газов имеет тот же принцип действия, но другую форму лопастей:



Скоростные счетчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку (или крыльчатку) угловая скорость которой пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу.

§3. Измерение расхода вещества

Расходомеры по принципу действия принято делить на

1. расходомеры переменного перепада давления (сужающие устройства);

2. расходомеры переменного уровня;

3. расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры);

4. электромагнитные (индукционные) расходомеры.

а) Расходомеры переменного перепада давления.

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада газа является метод переменного перепада давления. Измерение расхода этим методом основано на изменении статического давления вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике сужающим устройством служат нормальные диафрагмы и сопла.

Достоинства: сравнительно высокая точность измерения, удобство, универсальность.

Суть метода заключается в следующем:

В трубопроводе, по которому протекает контролируемое вещество, устанавливается специальное сужающее устройство, проходное сечение которого соосное с трубопроводом, значительно меньше его по сечению (диафрагма, которая представляет собой тонкий диск, устанавливаемый в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутренним стенкам трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Вследствие перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую его средняя скорость в суженном сечении повышается, в результате статическое давление в данном сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством.

Разность (перепад) давлений до и после сужающего устройства тем больше, чем больше расход вещества, и, следовательно, может служить мерой расхода. Вторичный прибор - любой диафрагмометр, проградуированный в единицах расхода.

1 - диафрагма с концентрическим отверстием, которое имеет цилиндрическую кромку, далее расточено под конус, 2-3 - камеры для отбора ст. давления, 4-5 - фланцы для крепления узла из диафрагмы и камер к трубопроводу.

б) Расходомеры скоростного напора.

Основаны на зависимости динамического давления измеряемого потока от его скорости. Динамическим давлением потока будем называть разность между полным давлением потока в плоскости, перпендикулярной движению потока, и статическим давлением потока на стенки трубопровода, т.е.

Бернулли показал, что , - скорость потока, - плотность среды., т.е.

,

а расход , следовательно .

Пито предложил использовать эту зависимость для измерения расхода жидкости, применив для измерения расхода одинарную скоростную или напорную трубку (получившую в дальнейшем название трубки Пито).



Полное давление измеряется напорной трубкой, помещенной в центре трубопровода, параллельно потоку. Статическое давление отбирается через штуцер в стенке трубопровода. Разность этих давлений равна , может быть измерена любым дифференциальным манометром, например, U-образным, жидкостным. В этом случае каждому значению G соответствует определенная разность уровней Н.

Данный способ измерения G не нашел широкого технического распространения (точность измерения зависит от правильности установки трубки скоростного напора, трубки часто засоряются), расходомеры скоростного напора капризны в эксплуатации, поэтому применяются в основном в лабораторных целях.

в) Расходомеры постоянного перепада. (ротаметры)

Ротаметр представляет коническую трубу, в которую помещен поплавок весом . Поток жидкости, расход которой измеряется, поступает снизу. Поплавок находится в равновесии при равенстве действующих на него сил, (силой трения жидкости о поплавок пренебрегаем):

сверху вниз - вес и давление ,

снизу вверх - давление .

Условие равновесия:

, - максимальное сечение поплавка.

Перепад давления на поплавке:

,

т.е. перепад давления от расхода не зависит и является постоянной величиной.

С другой стороны из уравнения Бернулли имеем:

или

т.о. скорость обтекания поплавка всегда постоянна

V - скорость жидкости (газа), обтекающей поплавок.

Расход жидкости можно определить, зная площадь F - кольцевого зазора между поплавком и внутренними стенками конической трубы, тогда

, т.е.

каждому значению G соответствует определенное значение F, т.е. при изменении G поплавок будет перемещаться до тех пор, пока F не достигнет значения, определяемого полученным выражением. А поскольку высота подъема поплавка , то ротаметр преобразует изменение расхода в перемещение поплавка. Для получения электрического сигнала поплавок жестко связывается с плунжером диф. тр-ра (РЭД).

Выпускаются также ротаметры с пневматическим выходом (РПД).

Ротаметры наряду с сужающими устройствами находят очень широкое применение при измерении расхода.

г) Расходомеры переменного уровня.

Основаны на зависимости между уровнем свободно вытекающей из сосуда жидкости и ее расходом через сосуд.

Расходомер переменного уровня представляет из себя сосуд, в который подается жидкость. В дне сосуда или боковой стенке сосуда проделано калиброванное отверстие для свободного вытекания жидкости.

По виду этого отверстия различают расходомеры с круглым отверстием истечения и щелевым отверстием истечения (щелевые расходомеры).



В первых в качестве отверстия используется сужающая диафрагма (такая же как в расходомерах переменного перепада давления)

,

Следовательно, , и, значит, о расходе можно судить, измеряя уровень жидкости.

В щелевых расходомерах отверстие располагается в боковой стенке сосуда и имеет форму гиперболической щели.

Такая форма отверстия выбрана для того, чтобы обеспечить линейность зависимости

д) Бесконтактные расходомеры.

В некоторых случаях (взрывоопасная, токсичная или агрессивная среда) очень большой интерес представляют бесконтактные приборы.

1. Индуктивные расходомеры.

Основаны на изменении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной движущейся жидкости внешним полем.

Величина этой ЭДС:

- магнитная индукция,

- внутренний диаметр трубопровода (длина проводника),

- скорость жидкости.

, то и

, т.е. ~.

I-VI. Анализ состава материалов

§1. Измерение процентного содержания какой-либо компоненты исследуемой смеси. (концентрация компоненты)

контроль технологический прибор измерение

Концентрацией называется количество компоненты в общем количестве материала. Для измерения концентрации применяются следующие методы.

1. Кондуктометрия (кондуктометры). Принцип действия этих приборов основан на зависимости электропроводности растворов электролита от их концентрации.

Различают контактные кондуктометрические концентратомеры и бесконтактные. Первые содержат измерительные электроды, погружаемые в исследуемую жидкость. При изменении концентрации раствора меняется сопротивление измерительной ячейки, измеряемое с помощью мостовой схемы.

При бесконтактной кондуктометрии исследуемый электролит пропускается через кольцо, служащее вторичной обмоткой Тр1 и первичной обмоткой Тр2.

В зависимости от концентрации (сопротивления) во вторичной обмотке Тр2 индуктируется разная ЭДС.

2. РН-метрия (РН-метры). Служат тоже для измерения концентрации растворов электролита. Принцип действия основан на зависимости потенциала, возникающего на границе измерительный электрод-среда, от концентрации электролита.

Содержат измерительную ячейку, состоящую из двух электродов: измерительного (чаще всего стеклянного) и вспомогательного (каломельного).

Эдс Е, снимаемая с электродов ~ концентрации водородных ионов, измеряемой в единицах рН.

Для чистой воды рН=7,

Кислые растворы рН<7,

Щелочные растворы рН>7.

Эта эдс измеряется вторичным прибором ПВУ - преобразователь вторичный указывающий. Особенностью его является очень большое входное сопротивление, для чего применяется обратная связь по току. Эта мера объясняется очень высоким выходным сопротивлением датчика - измерительной ячейки (до сотен мегом).

Подробнее - самостоятельно.

3. Газоанализаторы. Также используются для измерения концентрации какого-либо газа. Принцип действия этих приборов основан на зависимости каких-либо физико-химических свойств газовой смеси от содержания в ней исследуемой компоненты.

ZB. В газоанализаторе на кислород используется то обстоятельство, что магнитная проницаемость кислорода изменяется с температурой, поэтому магнитная проницаемость смеси зависит от содержания в ней кислорода.

Кроме того, в газоанализаторах используются и другие величины: теплопроводность смеси в зависимости от концентрации, оптическая плотность, поглотительная способность газовой смеси и т.д. Для жидкостей применяются приборы, основанные на зависимости преломления светового потока от концентрации и т.д.

§2. Определение содержания двух и более компонент в исследуемой смеси

Т.е. в этом случае измеряется содержание нескольких компонент в смеси.

С этой целью применяются следующие методы и приборы:

1. Хроматографический метод анализа газовых смесей. (хроматографы)

Основан на зависимости скорости сорбции (поглощения) от вида компоненты. Исследуемая смесь пропускается через разделительную колонну, заполненную сорбентом (поглотителем). В процессе движения смеси вдоль колонки (сверху вниз) происходит ее поглощение, причем вследствие разной скорости сорбции, скорость движения компонент вдоль колонки различна. Первым из колонки выйдет наименее поглощающаяся компонента, а последней - наиболее поглощающаяся. Т.о. вид компоненты (идентификация компоненты) осуществляется по времени прохода его разделительной колонки.

2. Масс-спектрометрия (масс-спектрометры) - анализ газовых смесей по атомному весу входящих в них компонентов.

Исследуемый газ ионизируется пучком электронов и подвергается воздействию магнитного поля напряженностью Н.

При этом ионы разных компонент, имеющие разный атомный вес, получают различные ускорения, и весь поток ионов разделяется на пучки ионов, соответствующие различным компонентам. Измеряя токи, создаваемые этими пучками, можно судить о количестве, виде и концентрации компонент смеси.

I-7. Анализ физических свойств вещества (плотность, вязкость, влажность и т.п.)

§1. Измерение плотности

Плотность - физическая величина, определяемая массой этого вещества в единицах объема:

По принципу действия плотномеры можно разделить на:

а) Ареометрические (поплавковые).

Основаны на законе Архимеда - выталкивающая сила, действующая на поплавок, погруженный в жидкость, ~ ее плотности. Поэтому мерой плотности является величина погружения поплавка.

б) Радиоактивные плотномеры.

В зависимости от плотности жидкости меняется степень поглощения радиоактивного излучения, т.е. излучение ослабляется в большей или меньшей степени в зависимости от плотности. Измеряя излучение можно судить о плотности.

в) Весовые плотномеры. Принцип их действия основан на непрерывном взвешивании определенного объема жидкости. При постоянном объеме вес жидкости ~ ее плотности.

§2. Измерение вязкости. (вискозиметры) [1, 164; 13, 470]

Вязкость - свойство, характеризующее сопротивляемость жидкостей (или газов) скольжению или сдвигу. Вязкость проявляется в силе сопротивления, возникающей при сдвиге двух параллельных слоев жидкости. Чем больше эта сила, тем больше вязкость.

Существуют:

а) капиллярные вискозиметры.

Жидкость прокачивается через капилляр. На концах капилляра образуется перепад давления ~ вязкости.

б) вискозиметры с падающим шариком.

При свободном падении шарика в жидкости время его падения ~ вязкости, следовательно, измеряя время падения, можно судить о вязкости.

в) ротационные вискозиметры.

При вращении тела в жидкости на него действует момент сопротивления ~ вязкости, т.е. измеряя этот момент, можно судить о вязкости.

г) вибрационные вискозиметры.

Их принцип действия основан на том, что если в жидкость поместить колеблющуюся пластинку, время затухания колебаний ~ вязкости, и, следовательно, является ее мерой.

§3. Измерение влажности

Абсолютная и относительная влажность

Абсолютная влажность - масса водяного пара в 1м3 газовой смеси при нормальном давлении.

Относительная влажность -

а) психрометрический метод основан на том, что разность температур мокрого и сухого термометров (психрометрическая разность ) ~ влажности.

Подробнее смотри лаб. р-ту №6, а238/

б) метод точки росы.

Основан на том, что точка росы, т.е. температура, при которой происходит выпадение конденсата ~ влажности.

в) кондуктометрический и емкостной методы.

Часть III. Автоматизация технологических процессов химического производства

...