Погрешности измерений и источники их появления. Устройство и принцип действия термометров сопротивления. Схема автоматизации функциональной скважины, оборудованной ЭЦН

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Погрешности измерений и источники их появления. Устройство и принцип действия термометров сопротивления. Схема автоматизации функциональной скважины, оборудованной ЭЦН

Пичугин А.Л.



1. Погрешности измерений и источники их появления

Качество измерений характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это - метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора. Класс точности средства измерений является обобщенной характеристикой средства намерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем точности выполненных измерений, поскольку при определении погрешности измерения необходимо учитывать погрешности метода, настройки.

В зависимости от точности приборы разделяются на классы: первый, второй. Допускаемые погрешности для разных типов приборов регламентируются государственными стандартами. Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественная оценка точности - обратная величина модуля относительной погрешности. Точность измерения зависит от погрешностей, возникающих в процессе их проведения.

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

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

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

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

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

­ В зависимости от последовательности причины возникновения различают следующие виды погрешностей.

­ Инструментальная погрешность - составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств. Эти погрешности определяются качеством изготовлении самих измерительных приборов.

­ Погрешность метода измерения - составляющая погрешности измерения, вызванная несовершенством метода измерений.

­ Погрешность настройки - составляющая погрешности измерения, возникающая из-за несовершенства осуществления процесса настройки.

­ Погрешность отсчёта - составляющая погрешности измерения, вызванная недостаточно точным считыванием показаний средств измерений. Погрешность возникает из-за видимого изменения относительных положений отметок шкалы вследствие перемещения глаза наблюдателя - погрешность параллакса.

­ Погрешность поверки - составляющая погрешности измерений, являющаяся следствием несовершенства поверки средств измерений. Погрешности от измерительного усилия действуют в случае контактных измерительных приборов. При оценке влияния измерительного усилия на погрешность измерения, необходимо выделить упругие деформации установочного узла и деформации в зоне контакта измерительного наконечника с деталью. Погрешность средства измерения, возникающая при использовании его в нормальных условиях, когда влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называют основной. Если значение влияющей величины выходит за пределы нормальной области значений, появляется дополнительная погрешность.

Субъективные погрешности - погрешности, зависящие от оператора. Возможны четыре вида субъективных погрешностей: погрешность отсчитывания; погрешность присутствия (проявляется в виде влияния теплоизлучения оператора на температуру окружающей среды, а тем самым и на измерительное средство);погрешность действия (вносится оператором при настройке прибора); профессиональные погрешности (связаны с квалификацией оператора, с отношением его к процессу измерения).

­ Результат наблюдения - значение величины, полученное при отдельном наблюдении.

­ Результат измерения - значение величины, найденное в процессе измерения, после обработки результатов наблюдения.

­ Стабильность средства измерений - качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических свойств.

Правильность измерений - это качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

­ Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений одного и того же параметра, выполненных повторно одними и теми же средствами одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

­ Воспроизводимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными методами и средствами).



2. Устройство и принцип действия термометров сопротивления. Привести схему

Термометр сопротивления представляет собой конструкцию, в которой проволока из платины или меди намотана на специальный диэлектрический каркас, размещенный внутри герметичного защитного корпуса, удобного по форме для монтажа. Работа термометра сопротивления основана на явлении изменения электрического сопротивления проводника в зависимости от его температуры (от температуры исследуемого термометром объекта).В процессе изменения температуры, тепловые колебания кристаллической решетки металла изменяют свою амплитуду, соответственно изменяется и электрическое сопротивление датчика. Чем выше температура - тем сильнее колеблется кристаллическая решетка - тем выше оказывается текущее сопротивление.

Жаропрочный корпус датчика призван защитить его от механических повреждений в процессе измерения температуры того или иного объекта.



Рис. 1. 1 - чувствительный элемент из платиновой или медной проволоки, в форме спирали, расположенный на керамическом стержне; 2 - пористый керамический цилиндр; 3 - керамический порошок; 4 - защитная наружная трубка из нержавеющей стали; 5 - токопередающие выводы; 6 - наружная защитная трубка из нержавеющей стали; 7 - головка термометра со съемной крышкой; 8 - клеммы для присоединения выводного провода; 9 - провод к фиксирующему прибору; 10 - втулка с резьбой для установки в трубопровод, имеющий патрубки с внутренней резьбой.

Наиболее точный и распространённый тип термометров сопротивления-платиновые термометры. Это обусловлено тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и не окисляется в воздушной среде, что обеспечивает их высокую точность и воспроизводимость.

В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры сопротивления.

Термометры сопротивления используются, как правило, для измерения температуры в среде в диапазоне от -263°C до +1000°C.

Преимущества термометров сопротивления:

- высокая точность измерений (обычно лучше ±1°C), может доходить до 0,013°C;

- возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3 - или 4-проводной схемы измерений;

- практически линейная характеристика.

Недостатки термометров сопротивления:

- относительно малый диапазон измерений;

- дороговизна;

- требуется дополнительный источник питания для задания тока через датчик.

термометр сопротивление точность измеряемый

3. Выполнить и описать схему автоматизации функциональную скважины, оборудованной ЭЦН

Установка ЭЦН включает наземное и погружное оборудование. Основным подземным электрооборудованием является электроцентробежный насос и погружной электродвигатель. К наземному оборудованию относят трансформатор питания погружных насосов, СУ ПЭД и выходной фильтр. Также к наземному оборудованию относятся кабели, играющие роль перемычек между СУ и трансформатором, и питающие кабели, соединяющие СУ с комплектной трансформаторной подстанцией наружной установки. Технологическая схема системы автоматизации ЭЦН представлена на рисунке 2. Для обеспечения нормальной, долгосрочной работы погружного электродвигателя необходимо строгое соблюдение его номинальных параметров, указанных в паспорте. К этим параметрам относится величина тока, напряжения, температура и давление в скважине, подача насоса и другие. При значительном отклонении этих параметров создаются условия, при которых двигатель снижает срок службы или может быстро выйти из строя. Для контроля над основными параметрами двигателя, правильностью его подключения применяется схема управления ПЭД.

Рис. 2. Технологическая схема ЭЦН: 1 - ТМС; 2 - компенсатор; 3 - ПЭД; 4 - гидрозащита; 5 - ЭЦН; 6 - кабель; 7 - НКТ; 8 - СУ ПЭД; 9 - наземный блок ТМС; 10 - СУ ЭЦН; 11 - трансформатор; 12 - СУ общекустовая

Основные функции СУ:

- включение и отключение электродвигателя в «ручном» или в «автоматическом» режиме;

- работа по программе с отдельно задаваемыми временными интервалами работы и остановки;

- автоматическое включение электродвигателя с заданной задержкой времени после подачи напряжения питания или при восстановлении напряжения питания в соответствии с нормой;

- регулируемая задержка отключения отдельно для каждой защиты (кроме защиты по низкому сопротивлению изоляции);

- регулируемая задержка активации защит сразу после пуска для каждой защиты (кроме защиты по низкому сопротивлению изоляции);

- регулируемая задержка АПВ отдельно после срабатывания каждой защиты (кроме защит по низкому сопротивлению изоляции и по турбинному вращению);

- возможность выбора режима с АПВ или с блокировкой АПВ после срабатывания отдельно каждой защиты (кроме защит по низкому сопротивлению изоляции и по турбинному вращению);

- возможность выбора активного и неактивного состояния защит отдельно для каждой защиты;

- блокировка АПВ после отключения по защите от недогрузки при превышении заданного количества разрешенных повторных пусков за заданный интервал времени;

- блокировка АПВ после отключения по защите от перегрузки при превышении заданного количества разрешенных повторных пусков за заданный интервал времени;

- блокировка АПВ после отключения по другим защитам (кроме защит от недогрузки и перегрузки) при превышении заданного количества разрешенных повторных пусков за заданный интервал времени;

- измерение текущего значения сопротивления изоляции системы «вторичная обмотка ТМПН-погружной кабель-ПЭД» в диапазоне от 30кОм до 10МОм;

- измерение текущей потребляемой мощности;

- измерение текущего значения частоты вращения электродвигателя;

- отображение в хронологическом порядке последних изменений в состоянии насосной установки с указанием причины и времени включения или отключения ПЭД;

- запись в реальном масштабе времени в блок памяти информации о причинах включения и отключения электродвигателя с регистрацией текущих линейных значений питающего напряжения, токов фаз электродвигателя, загрузки, сопротивления изоляции, давления, температуры в момент отключения электродвигателя, через 2 секунды после включения и во время работы с двумя регулируемыми периодами записи;

- сохранение заданных параметров работы и накопленной информации при отсутствии напряжения питания.

Рис. 3. Схема автоматизации нефтяной скважины с электропогружным насосом: 1 - отсекатель; 2 - станция управления; 3 - устройство для запуска шаров, очищающих трубы от парафина; 4 - манометр электроконтактный

Рис. 4. Функциональная схема автоматизации ЭЦН



Задача 1

По результатам поверки определить основные метрологические характеристики прибора: абсолютную погрешность Д, относительную погрешность д, приведённую погрешность дпр, вариацию показаний н.

Сделать вывод о соответствии прибора классу точности.

Табл. 1

Вариант	Предел измерения поверяемого прибора Nшк	Рабочее значение параметра	Класс точности поверяемого прибора	Измеряемая величина Хд	Показания поверяемого прибора
					Прямой ход Хи	Обратный ход Хо
3	40	30	4	10	13	12
				20	22,5	21
				30	32	31

Решение:

Поверка включает в себя проверку целостности прибора и снятие основных метрологических характеристик прибора. На основание поверки делается вывод о пригодности прибора к эксплуатации и соответствии прибора указанному классу точности.

При поверке определяют абсолютную, относительную и приведённую погрешности, вариацию показаний.

Абсолютная погрешность Д - это разность между действительным значением измеряемой величины и измеренным.

Д = Хи - Хд

Вычисляем абсолютную погрешность для трех измерений:

Д1 = 13 - 10 = 3

Д2 = 22,5 - 22 = 2,5

Д1 = 32 - 30 = 2

Относительная погрешность д - отношение абсолютной погрешности показаний прибора к действительному значению измеряемой величины:

д = +100%

Вычисляем относительную погрешность для трех измерений:

д1= (3/10) · 100 = 30 %

д2= (2,5/20 · 100 = 12,5 %

д3= (2/30) · 100 = 6,67%

Приведённая погрешность дпр - отношение абсолютной погрешности показаний прибора к диапазону шкалы измерительного прибора:

д пр = +100%

Вычисляем приведённую погрешность для трех измерений:

дпр1 = (3/40) · 100 = 7,5 %

дпр2 = (2,5/40) · 100 = 6,25 %

дпр3 = (2/40) · 100 = 5 %

Вариация показаний - наибольшая разность показаний одной и той же измеряемой величины при прямом и обратном ходе указателя.

н = +100%

где: ДПi(max) - максимальная разность показаний измерительного прибора в i-той точке его шкалы при прямом и обратном ходе.

Вариация оценивается в процентах диапазона шкалы прибора. Вычисляем вариацию показаний для трех измерений:

н1 = ((13 - 12) /40)) · 100 = 2,5 %

н2 = ((22,5 - 21) /40)) · 100 = 3,75 %

н3 = ((32 - 31) /40)) · 100 = 2,5 %

Результаты расчетов вносим в таблицу и определяем среднее значение показателей:

Табл. 2

Абсолютная погрешность	Относительная погрешность	Приведенная погрешность	Вариация показателей
3	30%	7,5%	2,5%
2,5	12,5%	6,25%	3,75%
2	6,67%	5,00%	2,5%
2,5	16,39%	6,25%	2,92%

Если в результате расчётов, величина приведённой погрешности не превышает класса точности, то считают, что прибор соответствует данному классу точности. В нашем случае величина приведённой погрешности6,25%что превышает класса точности 4, значит прибор не соответствует заданному классу точности.

Задача 2

Дано динамическое звено САР.

Требуется:

Написать уравнение звена в общем виде.

Написать уравнение звена с заданными коэффициентами.

Написать уравнение звена в операторной форме.

Определить передаточную функцию звена.

Написать уравнения, рассчитать и построить характеристики звена: амлитудно - фазовую (АФХ), амплитудно - частотную (АЧХ), фазо - частотную (ФЧХ).

Табл. 3

Тип звена	К	Т (Т0)	Т1
усилительное	2,3	-	-

Решение:

1. Уравнение звена в общем виде: y(t)=kx(t)

2. Уравнение звена c заданными коэффициентами: y(t)=2,3x(t)

3. Уравнение звена в операторной форме: Y(p)=2,3X(p)

4. Передаточная функция звена: W(p)=Y(p)/X(p) или W(p)= 2,3

5. Амплитудно - фазовая характеристикаАФХ: W (jщ) = 2,3

Передаточная функция усилительного (безынерционного) звена не зависит от частоты. Исходя из этого, амплитудно-фазовая частотная характеристика звена представляется точкой на комплексной плоскости с координатами (k;0) (рисунок 5).

Рис. 5. Амплитудно - фазовая характеристика

6. Амплитудно - частотная характеристика (АЧХ) характеристика представляется прямой, параллельной оси частот:A(jщ) = Ке-j0 = 2,3



Рис. 6. Амплитудно - частотная характеристика

7. Фазо - частотная характеристика (ФЧХ )совпадает с осью абсцисс:

ц (щ) = - arctg2,3щ

Рис. 7. Фазо - частотная характеристика



Список литературы

1. Исакович Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. М.: Недра, 2013г. - 248с.

2. Пантаев Н.П., Дианов В.Г. Основы теории автоматического регулирования и авторегуляторы. М.: Недра, 2014г. - 364с.

3. Подкопаев А.П. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы. М.: Недра, 2014г. - 331с.

4. Шишкин О.П., Парфенов А.Н. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов. М.:Недра, 2015 г. - 248с.

5. Шишмарёв В.Ю. «Автоматизация технологических процессов». Изд. центр «Академия» 2014г. - 352 с.

6. Шишмарёв В.Ю. «Автоматика» Изд. центр «Академия» 2015г. - 288с.

Размещено на Allbest.ru

...