Система измерения газа в топке. Автоматизированная система контроля температуры в топке энэргогенерирующего комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра автоматизации и информационных систем

Типовое задание на курсовой проект (работу) по дисциплине

"Технические измерения и приборы"

Цель работы: Освоение теоретических методов, практических приемов решения модельных и реальных задач метрологии и технических измерений.

Тема "Система измерения газа в топке. Автоматизированная система контроля температуры в топке энэргогенерирующего комплекса."

1. Выбор объекта исследования (вида работы, объекта-прототипа) в области современных измерительных технологий и систем.

1.1. Обзор информационных материалов.

1.2. Описание и анализ функциональных свойств, достоинств и недостатков, формирование целей и путей совершенствования объекта исследования.

2. Выбор (формулирование) решаемой задачи (задач).

2.1. Разработка постановок задач с описанием ЦОК (целей, ограничений, критериев).

2.2. Формулирование требуемых решений.

2.3. Выбор методов решения поставленных задач.

3. Решение с обязательным использованием исследований, аналитических расчётов и натурно-модельных испытаний.

3.1. Анализ полученных результатов, обоснованные выводы.

3.2. Формирование отчета и графического материала.



Содержание

Введение

Постановка задачи

1. Описание термопар

1.1 Принцип действия

1.2 Термоэлектрические преобразователи

1.3 Технические характеристики

2. Система регулирования подачи воздуха в топку

2.1 Анализ нормативов ведения технологического процесса и эксплуатации технологических машин

2.2 Разработка системы технологического контроля и выбор технических средств измерений

2.3 Анализ и синтез измерительного устройства в заданном канале измерения

3. Решение поставленной задачи

3.1 Обработка полученного сигнала

Заключение

Список использованных источников



Введение

С изменением и увеличением требований к качеству, переходным процессам и технологическим процессам в целом - возникает необходимость изменять, дополнять, и создавать заново технологические измерительные системы, соответствующие технологическим требованиям и установленным стандартам.

Требования, предъявляемые к технологическим измерительным системам: надёжность, максимальная требуемая точность, минимальная погрешность, оптимальные быстродействие и стоимость, должны содержать минимум нестандартных компонентов.

Целью данного курсового проекта является: научится формулировать задачи технологического контроля в соответствии с требованиями технологического процесса; проектировать системы технологического контроля в соответствии с задачами технологического контроля; правильно выбирать стандартные технические средства технологического контроля и рассчитывать отдельные измерительные каналы.



Постановка задачи

Дано.

1) Топка энергогенерирующего комплекса СибГиу

2) Термопреобразователь сопротивления ТСМ 50М

Требуется.

1) Освоить практический прием решения модельных и реальных задач метрологии

2) Выбрать метод решения поставленной задачи.

3) Провести модельный эксперимент и зарегистрировать сигнал системы измерения.

4) Обработать сигнал с помощью программы «Фильтр» на компьютере. Исходя из результатов, выбрать и настроить алгоритм обработки.



1. Описание термопар

1.1 Принцип действия

В электронике термопары являются широко используемым видом датчика температуры и могут, также использоваться в качестве средства, чтобы превратить тепловую разность потенциалов в электрическую разность потенциалов. Они дешевы и взаимозаменяемы, имеют стандартные соединители, и могут измерять широкий диапазон температур. Главное ограничение - это точность; тяжело получить системные ошибки менее чем в 1 °С.

В 1821, немецко-эстонский физик Томас Джон Зеебек совершил открытие: когда любому проводнику (как например металлу) сообщить тепловой градиент, он будет генерировать напряжение. Сейчас это известно как термоэлектрический эффект Зеебека. Любая попытка измерить это напряжение обязательно влечёт подсоединение другого проводника к "горячему концу". Тогда этот дополнительный проводник также испытывает градиент температуры, и вырабатывает собственное напряжение, которое будет противопоставляться оригиналу. К счастью, величина результата зависит от типа металла, который используется. Использование разных металлов, для завершения цепи, будет давать разное генерируемое напряжение, остаётся небольшая разность напряжений, доступная для измерения, которая возрастает с температурой. Эта разница обычно лежит в диапазоне между 1 и 70 микровольт на градус Цельсия, для современного ряда доступных сочетаний металла. Определенные комбинации стали популярными как промышленные стандарты, благодаря своей стоимости, применимости, выгоде, точке плавления, химическим свойствам, стабильности и выходным параметрам.

Термопары могут соединяться в серии с другом друг, чтобы сформировать термоэлемент, где все горячие соединения подвергнуты более высокой температуре, а все холодные контакты - более низкой температуре. Поэтому, напряжения индивидуальных термопар складываются, что даёт большее напряжение.

Иметь, соответственно, известную температуру холодного спая, пока полезно для лабораторных калибровок, однако просто не пригодно для наиболее непосредственно соединенных показывающих и контролирующих приборов. Они объединяют в своих цепях искусственный холодный контакт, использующий некоторое другое теплочувствительное устройство (как например термистор или диод), чтобы измерить температуру входных контактов прибора, специальное внимание уделяется тому, чтобы минимизировать любой градиент температуры между этим искусственным и естественным контактами. Отсюда, напряжение от известного холодного спая может быть просимулировано и использовано подходящее исправление. Это известно как компенсация холодного спая.

Дополнительно, компенсация холодного спая может выполняться программным обеспечением. Напряжения устройства могут переводиться в температуру двумя методами. Значения могут быть найдены по таблицам перекодировки или аппроксимированы, при помощи полиномов.

Обычно термопара присоединяется к регистрирующему приспособлению специальной проволокой, известной как компенсационный или удлиняющий провод. Условия специфические. Удлинительный провод использует проволоку то же номинала, что и проводники, из которых изготовлена термопара. Эти кабели стоят дешевле, чем проволока термопары, хотя всё равно недешево, и их обычно производят в виде, пригодном для передачи информации на длинные расстояния междугородние - обычно многожильный кабель покрыт гибкой изоляцией. Они обычно специализируются на точности, но более ограничены по температурному диапазону, чем проволока термопары. Они рекомендуются для лучшей точности.

Компенсационные провода, с другой стороны, менее точны, но более дёшевы. Они используют совершенно различные, относительно дешёвые проводники из сплавов, чьи чистые термоэлектрические коэффициенты подобны тем, что у термопар в вопросе (относительно ограниченного диапазона температур), но которые им совершенно не соответствуют как удлинительные провода. Разработаны комбинации подобных выводов к тем из термопар, но оперативный температурный диапазон компенсационных проводов ограничен, чтобы удерживать ошибки пропуска приёма.

Удлинительный или компенсационный провод должен выбираться соответственно термопаре. Это генерирует напряжение, пропорциональное разнице между горячим спаем и холодным спаем и он соединен в правильной полярности таким образом, что дополнительное напряжение увеличивает напряжение термопары, компенсируя до разности температур между горячим и холодным концами.

Рисунок 1 - Взаимоотношение напряжение-температура.

Взаимоотношение между разницей температуры и выходное напряжение термопары нелинейно и описывается полиномиальной интерполяцией

Коэффициенты аn, даны для n от 0 до значения между 5 и 9.

Чтобы достичь точных измерений выравнивание обычно выполняется в цифровом диспетчере или запоминается в таблице lookup. Некоторые старшие устройства используют аналоговые фильтры.

Различные типы:

Термопары разнообразны, доступны, и подходят для различных отраслей измерения (индустриальная, научная, температура пищевых продуктов, медицинские исследования, и т.п.).

Тип К (Хромель (сплав Ni-Cr)/Алюмель (сплав Ni-Al))

"Общее назначение" термопар. Они стоят дёшево и значит популярны, а потому зонды доступны в широком разнообразии. Они доступны в температурном диапазоне -200°C +1200°C. Тип K был уточнён в то время, когда металлургия была развита не так как сегодня и поэтому его характеристики значительно изменялись между партиями. Имеется другая проблема в том, что один из металлов consituent магнитен (Никель). Особенность термопары - испытывать изменение приращения температуры, когда магнитный материал достигает точки Кюри. Это происходит для данного вида термопар при 354°C. Чувствительность примерно равна 41 µV/°C.

Тип E (Хромель/Константан (сплав Cu-Ni))

Тип E имеет высокое выходное напряжение (68 µV/°C), которое делает его подходящим для использования при низких (крио) температурах. Другое свойство заключается в том, что он не магнитен.

Тип J (Железо/Константан)

Ограниченный диапазон температур (-40 +750 °C) делает тип J менее популярным, чем тип K. Главным образом применяется со старым оборудованием, которое не может принимать современные термопары. Типы J не может быть использован для температур выше 760°C, поскольку внезапное магнитное превращение является причиной постоянный раскалибровки.

Тип J имеет чувствительность ~52 µV/°C

Тип N (Нихросил/Нисиловые (Примесь Ni-си))

Высокая стабильность и сопротивление к высокотемпературному окислению делает тип N подходящим для высокотемпературных измерений без применения дорогих платиновых (B, R, S) типов. Они могут выдержать температуры свыше 1200°C. Чувствительность превышает 39 µV/°C при 900°C, что немного ниже, чем у типа K. Разработанный, как улучшенный типом K, он становится более популярным.

Термопары типов B, R, и S являются термопарами из благородных металлов и проявляют подобные характеристики. Они наиболее стойкие из всех термопар, но благодаря их низкой чувствительности (приблизительно 10 µV/°C) они, обычно, используются только для высокотемпературного измерения (>300°C).

Тип B (Платинородий-платинородиевые/ Pt-Rh)

Подходит для высокотемпературных измерений вплоть до 1800°C. Иногда тип термопар B (благодаря форме их кривой температура-напряжение) даёт то же выходное напряжение при 0°C и 42°C. Это делает их бесполезными при температурах ниже 50°C.

Тип R (Платина /Платинородий с 13% Родием)

Подходит для высокотемпературных измерений вплоть до 1600°C. Низкая чувствительность (10 µV/°C) и высокая стоимость делает их неподходящими в целях общего использования.

Тип S (Платина /Платинородий с 10% Родием)

Подходят для высокотемпературных измерений вплоть до 1600°C. Низкая чувствительность (10 µV/°C) и высокая стоимость делает их неподходящими в целях общего использования. Благодаря высокой стабильности тип S используется в качестве эталона при воспроизведении точки плавления золота (1064.43 °C).

Тип T (Медь/Константан)

Подходит для измерения в диапазоне температур от -200 до 350 °C. Позитивный проводник делают из меди, а негативный проводник делают из константана. Часто используется дифференциальное измерение, тогда только медная проволока касается зондов. Поскольку оба проводника - немагнитны, то термопары типа T являются популярным выбором для такого применения, как например Электрические Генераторы, которые содержат сильные магнитные поля. Термопары типа T имеют чувствительность ~43 µV/°C.

Термопары обычно выбраны так, чтобы гарантировать, что измерительное оборудование не ограничивает диапазон температур, которые могут измеряться. Отметьте, что термопары с низкой чувствительностью (B, R, и S) имеют, соответственно, более низкую разрешающую способность.

Приложения

Термопары больше всего подходят для измерения большого температурного диапазона, вплоть до 1800°K. Они меньше подходят для случаев, когда необходимо измерить небольшую разность температур с высокой точностью, например диапазон 0-100 °C с точностью в 0.1 °C. Для таких ситуаций больше подходят термисторы и RTDs.

Безопасное нагревание прибора

Много газовых нагревательных приборов, таких как печи и водонагреватели, требует использования запальника, чтобы зажечь главную газовую горелку. Если запальник погаснет, по какой-либо причине, то имеется возможность того, что негорючий газ, выпущенный в окружающее пространство создаст, таким образом, как опасность возгорания так и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить такую опасность, некоторые приборы используют термопару как отказоустойчивый контроль, чтобы узнать, когда запальник загорится. Особенность заключается в том, что термопара размещена в пламени запальника. Результирующее напряжение, обычно лежит в пределах 20 mV и управляет газораспределительным клапаном, отвечающим за питание запальника. Пока пламя запальника остается греть, термопара остается горячей и удерживает газовый клапан запальника открытым. Если огонь запальника погас, температура будет падать наряду с соответствующим падением напряжения, удалив питание с клапана. Клапан закрывается, перекрывает газ и устраняет эти небезопасные условия.

Датчики излучения

Термоэлементы используются для измерения интенсивности случайного излучения, обычно видимого или инфракрасного света, который нагревает горячие соединения, пока холодные соединения теряют тепло. Возможно, измерить излучающую интенсивность всего в несколько мW/cm2 при помощи коммерчески доступных датчиков. Например, лазерные пирометры основаны на таких датчиках.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTGs)

Термоэлементы могут также применяться, чтобы генерировать электричество в радиоизотопных термоэлектрических генераторах.

1.2 Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В (рис. 1, а), если значения температуры мест соединения t и t0 не равны (при равенстве температур термоЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Развиваемая термоЭДС зависит от значения обеих температур t и t0, причем она увеличивается с ростом разности (t - t0). В силу этого термоЭДС термопары условно обозначается символом E(t, t0).



Рисунок 2 - Цепи термопар

а -- соединение двух проводников; б, в -- варианты включения третьего проводника; г, д варианты включения измерительного прибора ИП

Очевидно, что температуру с помощью термопары можно измерить, если выполнить следующие условия:

* Рабочий конец термопары поместить в контролируемую среду, а температуру другого спая (свободных концов) стабилизировать;

* Измерить термоЭДС, развиваемую термопарой;

* Иметь градуировочную характеристику E(t, t0) термопары -- зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.

Для понимания дальнейшего материала обратимся к «теореме о третьем проводнике». Суть ее (без доказательства) следующая: включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С» (на всех схемах он изображен волнистой линией) не вызывает искажения термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Поэтому термоЭДС, развиваемые в схемах (рис. 1, б, в), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры t' и t", т.е. при соблюдении условия t' = t". На основании изложенного можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рис. 1, г) или в разрыв электрода (рис. 1, д).

Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры.

Теперь обратимся к терминологии. Термопара -- это соединение двух разнородных проводников -- электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению «термоэлектрический преобразователь» (ТЭП) -- это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термопара является основным элементом средств измерения температуры -- термоэлектрических преобразователей (ТЭП).

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в табл. 1 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для различных термопар ТЭП, имеющих следующие обозначения:

ТВР (А) -- вольфрамрений-вольфрамрениевые;

ТПР (В) -- платинородий-платинородиевые;

ТПП (S, R) -- платинородий платиновые;

ТХА (К) -- хромель-алюмелевые;

TXK (L) -- хромель-копелевые;

ТХК (Е) -- хромель-константановые;

THH (N) -- никросил-нисиловые;

ТМК (T) -- медь-константановые;

ТЖК (J) -- железо-константановые.



Таблица 1 - Стандартные термоэлектрические преобразователи - термопары

Подгруппа ТЭП (термопары)	Условное обозначение НСХ	Диапазон длительного (кратковременного) применения, °С	Коэффициент преобразования мВ/°С * 103
ТВР	ВР(А)-1 (А-1) ВР(А)-2 (А-2) ВР(А)-3 (А-3)	0...2200 (2500) 0...1800 (2500) 0...1800 (2500)	12,1...9,2 11,8...11,4 11,9...11,3
ТПР	ПР(В)	300...1600 (1800)	3,1...5,9
ТПП	ПП(S) ПП(R)	0...1300 (1600) 0...1300 (1600)	5,5...12,1 5,4...14,1
ТХА	ХА(К)	-200...1000 (1300)	16,1...39,0
ТХК	ХК (L) ХК (E)	-200...600 (800) -200...700 (900)	28,5...87,8 26,3...79,8
ТНН	HH(N)	-270...1300(1300)	0,9...36,2
ТМК	МК(T)	-200...700 (900)	16,4...61,7
ТЖК	ЖК (J)	-200...700 (900)	23,1...62,0

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0 °С (т.е. E(t,0) = f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул и обозначается условным символом в русском и международном обозначении.

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в настоящее время для обозначения НСХ должны использоваться только латинские буквы (приведены в скобках).

В обозначениях преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя термопары ТХК положительный электрод -- хромелевый, отрицательный -- копелевый). На условных графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный -- толстой. При небольших диаметрах электродов верхний предел измерения может быть уменьшен. Термопреобразователь (термопара) ТПР (В) не развивает термоЭДС, если температура рабочего спая не превышает 300 °С (при температуре свободных концов 0 °С). Зависимости термоЭДС от температуры для термопар нелинейны, поэтому в пределах диапазона применения изменяется их коэффициент преобразования (чувствительность). В табл. 1 приведены округленные значения чувствительности в начале и конце диапазона применения.

Существуют другие разновидности термопреобразователей, статические характеристики которых могут быть не стандартизованы: например, сплав молибдена с рением MP 5/20, термопары на основе неметаллических материалов -- графита и тугоплавких соединений (карбидов, нитридов и т.п.)

В табл. 2 и на рис. 2, а приведены статические характеристики термопар ХА, ХК, ПП. Из графиков видно, что наибольшую термоЭДС развивает термопара ХК, наименьшую (из этих трех) термопара ПП. Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ТХК.

воздух топка термоэлектрический преобразователь

Таблица 2 - Номинальные статические характеристики термоэлектрических преобразователей (термопар)

t °с	ТЭП, Е, мВ	t °С	ТЭП, Е, мВ
	ПП(S)	ХА (К)	ХК(L)		ПП(S)	ХА (К)	ХК(L)
-240	-	-6,344	-	650	5,751	27,022	53,484
-200	-	-5,892	-9,488	700	6,274	29,128	57,856
-160	-	-5,141	-8,207	750	6,805	31,214	62,200
-120	-	-4,138	-6,575	800	7,345	31,277	66,469
-80	-	-2,92	--4,431	850	7,892	35,314	-
-40	-	-1,527	-2,500	900	8,448	37,325	-
0	0,000	0,000	0,000	950	9,012	39,310	-
50	0,299	2,022	3,306	1000	9,585	41,269	-
100	0,645	4,095	6,860	1050	10,165	43,202	-
150	1,029	6,137	10,621	1100	10,754	45,108	-
200	1,440	8,137	14,557	1150	11,348	46,985	-
250	1,873	10,151	18,639	1200	11,947	48,828	-
300	2,323	12,207	22,839	1250	12,550	50,633	-
350	2,786	14,292	27,132	1300	13,155	52,398	-
400	3,260	16,395	31,488	1400	14,368	-	-
450	3,743	18,513	35,882	1500	15,576	-	-
500	4,234	20,640	40,292	1600	16,771	-	-
550	4,732	22,772	44,700	1700	17,942	-	-
600	5,237	24,902	49,098	-	-	-	-

Рисунок- 3. Номинальные статические характеристики преобразователей (я), схема изготовления рабочего спая (б) и способы измерения температуры пластины (в)

Наиболее линейная характеристика у термопар ХА. Наиболее точной из этих трех является термопара ПП. Отклонение реальной градуировочной характеристики от номинальной определяются классом термоэлектрических преобразователей (термопар). Классы обозначаются цифрами 1, 2, 3 (в порядке увеличения погрешности), причем внутри класса погрешность может зависеть от измеряемой температуры (табл. 3).

Коэффициентом преобразования (чувствительностью) термопары называется отношение изменения термоЭДС, вызванной изменением температуры рабочего конца к значению этого изменения S = ДE/Дt (мВ/град) при небольших значениях Дt.

Для получения численных значений измеряемой температуры к термопреобразователю необходимо подключить показывающий прибор, измеряющий термоЭДС термопары (вторичный прибор), шкала которого должна быть в градусах. Такое соединение называется термоэлектрическим термометром. В дальнейшем будут использоваться все эти термины. Чтобы температурная шкала вторичного прибора была равномерной, желательно, чтобы коэффициент преобразования термопары (преобразователя) S не зависел бы от измеряемой температуры t в пределах диапазона измерения, в противном случае возникает необходимость в применении линеаризации. При оценке зависимости S = f(t) температурный интервал Дt в выражении S = ДE/Дt следует брать возможно малым -- теоретически нужно использовать производную S = dE/dt.

Вернемся к «теореме о третьем проводнике» -- включение в цепь термопары «АВ» третьего проводника «С» из любого материала не вызовет искажений термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Из этой теоремы вытекает ряд важных практических положений. Рабочий спай термопары может быть образован сваркой любым материалом, если только температура во всех точках сварного слоя будет одинаковой (рис. 2, б).

Таблица 3 - Пределы допускаемых отклонений для температуры t

Подгруппа ТП термопар	Класс точности	Диапазон измеряемых температур, °С	Предел допускаемых отклонений ± Дt, °С
ТМК(Т)	3 2 1	-200...-66 -66...40 -40... 135 135...400 -40. ..125 125...350	0,015*|t| 1,0 1,0 0,0075*|t| 0,5 0,004*|t|
ВР(А)	3 2	1000...2550 1000...2550	0,007*|t| 0,005*|t|
ТПР(В)	3 2	600... 800 800...1800 600... 1800	4,0 0,005*|t| 0,0025*|t|
ТПП(S,R)	2 1	0...600 600... 1600 0...1100 1100...1600	1,5 0,0025*|t| 1,0 1,0 + 0,003(t - 1100)
ТХА(К) ТНН(Н)	3 2 1	-250...-166,7 -166,7...40 -40...333,4 333,4...1350 -40...375 375...1350	0,015*|t| 2,5 2,5 0,0075*|t| 0,5 0,004*|t|
TXK(L)	3 2	-200...-100 -100... 100 -40... 300 300...800	0,015*|t| 2,5 2,5 0,7 + 0,005*|t|
ТХК(E)	3 2 1	-200...-166,7 -166,7...-40 -40...333,4 333,4...900 -40...375 375...800	0,015*|t| 2,5 2,5 0,0075*|t| 1,5 0,004*|t|
ТЖК(J)	2	-40...333,4 333,4...900	2,5 0,0075*|t|
	1	-40...375 375...750	1,5 0,004*|t|
ТХАУ 4...20 мА		0...1000	0,5; 1 % (приведенная)
Метран 281 выход 4...20 мА, HART протокол		0...1000	0,75 % по аналоговому сигналу 0,5 % по цифровому (приведенные)

Теорема о третьем проводнике имеет ряд практических выводов (рис. 2, в). Температуру массивного металлического бруска можно измерить по схеме 1 -- прикрепив к металлу каждый электрод в отдельности, если температура во всех точках поверхности бруска одинакова, или по схеме 2 -- прикрепив к металлу рабочий спай термопары.

ТермоЭДС термопары E(t, t0) зависит от температуры рабочего t и свободных t0 концов термопреобразователя. Поэтому, чтобы отградуировать шкалу вторичного прибора в единицах температуры, не-обходимо задаться каким-то определенным значением t0. Например, для автоматических потенциометров задаются расчетным значением t0 = 20 °С, для милливольтметров t0 = 0 °С. Номинальные статические характеристики задаются при t0 = 0 °С, поэтому в дальнейшем примем в качестве исходной t0 = 0 °С. Что делать, если реальное значение t0 отличается от нуля? Предположим t0 > 0 °С. Существует общая формула учета зависимости термоЭДС от значения t0:

E(t, t0) = E(t, 0) - E(t0, 0), т.е. при t0 > 0 °C термоЭДС термопары уменьшается на значение, равное значению термоЭДС, которое развивает термопара при температуре рабочих концов t0 и температуре свободных концов 0 °С.

Таким образом, если при известном значении t0, известна (например, измеряется прибором) развиваемая термопарой термоЭДС E(t, t0), то порядок использования номинальной статической характеристики для определения значения t следующий (рис. 3, а):

* находится значение E(t0, 0) (по нижней штриховой линии);

* прибавить к E(t0, 0) измеренное значение E(t, t0);

* суммарная ордината соответствует E(t, 0), по которой можно определить t (верхняя штриховая линия).

Каким образом практически вводится поправка на отличие температуры свободных концов от нуля? Если значение t0 постоянно, то такую поправку можно ввести простым смещением указателя вторичного прибора. Но в реальных условиях (0 -- это температура концов термопары, находящихся вне контролируемого объекта, при температуре окружающей среды, которая изменяется. В таком случае поправка вводится автоматическим устройством, выполненным либо в виде отдельного блока, либо встроенным в измерительную схему прибора. Чтобы измерять температуры свободных концов автоматические компенсаторы содержат термочувствительный элемент, температура которого равна t0. Для обеспечения этого компенсатор располагается рядом со свободными концами термопреобразователя.

Теперь представим ситуацию: температура в трубе измеряется термопреобразователем длиной 1 м (т.е. длина электродов термопары 1 м), причем головка термопреобразователя (и концы электродов термопары) имеет температуру 60 °С. Компенсатор встроен во вторичный прибор, где температура 20 °С. В данном случае компенсатор вырабатывает напряжение U = E(20) (поскольку его термочувствительный элемент имеет температуру 20 °С), а поправку нужно вводить на 60 °С, т.е. иметь U = E(60). Что делать? В этом случае термопреобразователь необходимо подключать к компенсатору специальными проводами, называемыми термоэлектродными удлиняющими проводами (ТЭ-проводами). По своим свойствам ТЭ-провода должны быть термоидентичными удлиняемым электродам, т.е. каждый электрод должен удлиняться своим проводом.

Таким образом, подключение к термоэлектрическому преобразователю (термопаре) удлиняющих проводов аналогично удлинению электродов, т.е. концы ТЭ-проводов становятся свободными, и их температура -- той температурой t0 свободных концов, которая определяет действующую в цепи ЭДС E(t, t0).

Рисунок 4 - Характеристики термоэлектродных удлиняющих проводов

Из-за неполного совпадения градуировочных характеристик термопары и удлиняющих ее проводов возникает дополнительная погрешность (табл. 4). Эту погрешность следует учитывать при оценке общей погрешности измерения температуры.?



Таблица 4- Характеристика удлиняющих проводов

НСХ ТЭП	Наименование пары жил	Обозначение	Максимальная рабочая температура, °С	Погрешность °С
ХА(К)	медь-константан	М	100	5,5
ХА(К)	медь -титан/ медь-никель	МТ-НМ	300	4,9
XK(L)	хромель/копель	ХК	100	3,3
ПП(R)	медь/сплав ТП	П	100	2,4
МК(М)	медь/копель	МК	100	3,3
ВР(А)	медь/медь-никель	М-МН	100	4,2

Примечание. Термопреобразователи ПР применяются без удлиняющих проводов.

Необходимость применения удлиняющих проводов отпадает при использовании термопар со встроенным в головку нормирующим преобразователем, в котором вводится поправка на изменение температуры свободных концов термопары и создается на выходе унифицированный токовый или цифровой сигналы. К таким преобразователям относятся ТХАУ, Метран 281 (интеллектуальный), в последнем используется термопара ТХА. Характеристики этих термопреобразователей приведены в табл. 3. С преобразователями температуры SITRANS Т работают и термоэлектрические преобразователи. Компенсация влияния температуры свободных концов может быть с внутренним сенсором Pt100 и внешняя. Допускается подключение двух термопар для вычисления разности температур или с целью резервирования. При использовании различных термопар измерения производятся в диапазоне температур от -200 до 2300 °С с погрешностью ±(1...3) °С.

Термоизмеритель ТЦП-1800П



Рисунок 5 - Термоизмеритель ТЦП-1800П

Термоизмеритель ТЦП-1800П-переносной прибор, предназначенный для измерения температуры расплавов металла при помощи сменного термоэлектрического преобразователя с НСХ типа В (ПР30/ПР6).

Применяется для контроля температуры стали, чугуна, сплавов цветных металлов путем кратковременного погружения в расплавленный металл (в ковшах, копильниках, индукционных печах и т.д.).

1.3 Технические характеристики

- рабочий диапазон, гр. С +300 …+1800

- погрешность измерения, % 0,5

- разрешение по температуре, гр. С 1

- диапазон температур окружающей среды при эксплуатации, гр.С 0-50

- номинальная статистическая характеристика термопреобразователя- по ГОСТ Р8.585-2000В (ПР30/ПР6)

- время измерения , сек 3-5

- индикация температуры осуществляется на встроенном цифровом табло

- предусмотрен режим фиксации максимального значения температуры за время проведения замера

- при достижении термодинамического равновесия между погружаемым термоэлектрическим преобразователем и жидким металлом возникает звуковой сигнал



2. Система регулирования подачи воздуха в топку

Оптимальный режим сгорания топлива в топках паровых котлов является необходимым условием повышения их коэффициента полезного действия. Одним из наиболее распространенных способов оценки экономичности процесса горения является анализ состава топочных газов, покидающих топку. Для корректировки оптимального соотношения “топливо - воздух” используют сигнал по процентному содержанию кислорода O2 в уходящих газах. Объектом регулирования принято считать топочную камеру и примыкающий к ней газоход конвективного пароперегревателя до места измерения содержания кислорода в топочных газах. Оптимальное значение содержания кислорода в уходящих газах для твердого топлива поддерживается от 3 до 4 %, а для газообразного - значительно меньше (для курсового проектирования принять диапазон задания O2 - (0,51.5) %, а допустимую погрешность стабилизации - 5 %). Схема системы регулирования подачи воздуха в топку показана на рис.2. На вход регулятора воздуха поступают сигнал от задатчика 3 содержания кислорода в уходящих топочных газах, сигнал измерителя содержания кислорода в топочных газах и дополнительный корректирующий сигнал по основному возмущению - расходу топлива. При этом регулятор воздуха РВ воздействует на клапан 4, изменяя приток воздуха от дутьевого вентилятора в топку.

Начало работы печи осуществляется путем запуска конвейера и предварительной продувки топки и газоходов. Для этого включаются вентиляторы ВВ и ГВ, обеспечивается нагнетание воздуха на горелку топки. После продувки через 5 минут в топке обеспечивается разряжение, а затем в топку подают газ. Для розжига топки подают в течение 15 сек питание на запальное устройство. Если по окончании розжига факел не появился, то прекращают подачу газа в топку, топку и газоходы продувают и, при необходимости, повторяют попытку розжига. Если необходимости в нескольких попытках нет или заданное число попыток розжига исчерпано, то прекращают циркуляцию воздуха и останавливают конвейер.

После появления факела производится прогрев и вывод печи на заданный тепловой режим - 300С°. Привод конвейера печи осуществляется электродвигателем через ременную передачу и вариатор скорости. Очистка конвейера от отходов происходит путем включения очистительного устройства.

Общая конструкция печи состоит из обогревательных элементов, которые после сборки образуют печное пространство в виде туннеля. Сквозь печное пространство проходит верхняя ветвь транспортной ленты. Далее печь состоит из следующих основных составных частей: главный вентилятор, горелочный комплект, узел привода, вентилятор отвода соковых паров, устройство для запаривания, камера сжигания, коллекторная камера, смесительная камера, каналы, противовзрывной клапан, рама, изоляция, кожухи, пульт управления, предохранительные устройства, регулятор температуры газов сгорания, защитный термостат. В случае натуральной оттяжки вспомогательный вентилятор не устанавливается.

2.1 Анализ нормативов ведения технологического процесса и эксплуатации технологических машин

Рассмотрим ниже таблицу регламентов ведения ТП и эксплуатации машин, определяющих номинальные значения параметров и допусков на отклонения, обеспечивающих заданное качество конечного продукта и безаварийность работы оборудования.



Таблица 5- Нормативы ведения ТП.

№	Наименование параметра	Услов. обознач.	Единица измерения	Номинальное значение	Допустимое отклонение	Температура в I зоне	T1	єC	250	±10
2	Температура в II зоне	T2	єC	280	±10
3	Влажность в I зоне	ц	%	25	±5
4	Контроль времени	t	мин.	30	±2
5	Давление газа в магистрали высокого давления	Рв	кПа	60	±10
6	Давление газа в магистрали низкого давления	Рн	кПа	1	±0,1

2.2 Разработка системы технологического контроля и выбор технических средств измерений

Разрабатываемая система должна содержать каналы измерения перечисленных выше параметров.

Температура измеряется термопреобразователем сопротивления (ТСМ 50М [-50…+180 єC]), который подключается к одноканальному измерителю. Показания заносятся в контроллер и ЭВМ, преобразование интерфейсов производиться контроллером ADAM 4017. На основании полученных данных контроллер вырабатывает, и посылает управляющий сигнал на исполнительные механизмы, которые управляют расходом газа в магистрали высокого давления и расходом воздуха, который поступает в первый муфель и необходим для нормального горения.

Давление разряжения в муфелях измеряется манометрами избыточного давления (САПФИР-22ДИ [0…100 кПа]). Сигнал, который поступает на прибор контроля, куда также поступает сигнал.

Таблица 6 - Технические средства и приборы.

Позиция	Наименование, технические характеристики	Кол-во	Тип
1а, 4а	Уровнемер ультразвуковой (диапазон измерения до 75 м.)	2	VEGASON 53
6a, 7a, 8a, 9a	Массовый расходомер Кориолиса.	4	MASS DI 3-DI 40
14a, 18a	Термометр сопротивления, медный. Диапазон -50…180 С.	2	ТСМ 50М
21а	Тензометрический датчик.	1	САПФИР-652ДИ
15а	Преобразователь влажности резистивного типа, с выходным сигналом 4…20 мА, кл. 11-89% - 2, длина погруженной части 80…250мм.	1	ТЭРА, ДВ-02
15б	Измеритель технологический (шк. 0…100%, кл.0,5).	1	ИТ-1
15в	Блок ввода, 8-ми канальный	1	ADAM-4017
17а	Уровнемер гидростатического непрерывного измерения (диап.темп. 0…100 С, вых.ток.сигнал 4…20 мА).	1	SITRANS P DS III, Siemens
18б	Симисторный усилитель мощности (максимальный ток 10-12 мА)	1	УМ 4/16
19а, 23а, 26а	Показывающий манометр (диапазон 0…600 кПа).	3	ДМ 1001 У2
22а	Фотоэлектрический датчик пламени	1	ФД
-	Кнопочный станции "Пуск-Стоп"	10	ПКЕ-212

2.3 Анализ и синтез измерительного устройства в заданном канале измерения

В соответствии с заданием необходимо разработать принципиальную схему и построить статическую характеристику нормирующего преобразователя

Таблица 7 - Технические средства и приборы

ПП	Измеряемый параметр	Характеристика НП, град.	Диапазон измерения	Выходной сигнал
Термометр сопротивления	Температура расстойки	50М	0…50 єС	0…10 В



где ИС - измерительная схема, где происходит превращение изменения сопротивления ПП в изменение выходного сигнала; У - усилитель выходного сигнала с измерительной схемы.



3. Решение поставленной задачи

Смоделируем работу топки энэргогенерирующего комплекса СибГиу с модернизированным оборудованием:

Рисунок 6 - Сигнал измерительной информации

Цифровая обработка сигнала(фильтрация)

Фильтрация - это основной метод, благодаря которому можно исключить помехи и выделить полезную составляющую сигнала измерительной информации. Фильтрация производится благодаря специальным алгоритмам. Алгоритмов сглаживания существует достаточно много, выбирать его нужно для конкретной задачи. Важной стадией создания какой-либо системы является выбор правильного сглаживающего фильтра.

Для фильтрации сигнала существуют специальные как программные так и технические средства. Они позволяют не только облегчить процесс выбора правильного фильтра, но и провести сглаживание сигнала, выделение полезной составляющей. Для фильтрации имеющегося сигнала была использована программа «Фильтр». После загрузки сигнала, приведенного на рисунке 6, выбрав из рекомендованных пунктов программы наиболее подходящие и ответив на ряд вопросов был выбран - Релейно-экспоненциальный фильтр 2. Результат фильтрации можно увидеть на рисунке 7:

Рисунок 7 - Сигнал измерительной информации

Так как реальная и допустимая погрешность системы равна 5%, но для улучшения экономических показателей была проведена модификации системы благодаря чему удалось понизить погрешность системы с ~5% до 1,8%.

Сумма всех показаний/на количество показаний=42657853/3810=1120,171

Так как показатель температуры должен быть 1100 `C найдем погрешность системы, которая будет равна 20,171 либо 1,8%



Заключение

Процесс измерения представляет сложную задачу, но если речь заходит о высоких требованиях к точности измерения, еще более сложную задачу ставит обработка сигнала измерительной информации. На сегодняшний день разработано множество методик, алгоритмов, применяется мощные вычислительные средства для реализации обработки сигналов.

В ходе выполнения курсового проекта были изучены:

- способы и методы формулирования задач технологического контроля и автоматизации технологического процесса;

- способы и методы построения систем технологического контроля;

- типовые измерительные приборы и датчики.

А также, получены навыки по:

- определению метрологических характеристик средств измерений, отвечающих требованиям регламента ведения ТП;

- выбору типовых средств измерений по справочной литературе для построения искомой измерительной системы;

- расчету ПП и промежуточного преобразователя;

- расчету статической характеристики измерительного устройства в разрабатываемом канале измерения температуры,

- расчету погрешности и оценке класса точности этого канала.



Список литературы

1. «Методы Классической и Современной Теории Автоматического Управления», т.1,2 под.ред. Н.Д.Егупова, М., изд. МГТУ им.Баумана, 2004.

2. «Теория Автоматического Управления», т.1 под. ред. А.А. Воронова, М.,1986

3. Б.Р.Андриевский, А.Л.Фрадков «Элементы Математического Моделирования», С.-П. «Наука», 2001

4.Айзерман М.А., Браверман Э.М., Розоноэр Л.И., и др. Метод потенциальных функций в теории обучения машин. - М.: Наука, 1970 - 384 с.

5.А.Незнанова. Программирование и алгоритмизация: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования-М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

6.Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. л-ры, 1980. - 336 с.

7.Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 624 с.

8.Кулаков С.М. Методические указания к выполнению дипломной работы. // СибГИУ, 2006. - 74 с.

9.Козлов Г.Ф., Остапчук Н.В. Системный анализ технологических процессов - К., Техника, 1977.

Размещено на Allbest.ru

...