приборы контроля параметров технологических процессов основные типы принцип работы
Специфика разработки и внедрения приборов для контроля технологических процессов на производстве
Создание и обслуживание сложных автоматизированных производств требует наличия и внедрения современных средств контроля за технологическими процессами, без которых невозможно получать информацию о состоянии оборудования и иных важных аспектах производственного цикла.
На современном этапе автоматизации производства в промышленности, строительстве и энергетике возрастает роль высокочувствительных датчиков и приборов для контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Важно, чтобы это были конструктивно простые, надежные и устойчивые к внешней среде устройства, способные непрерывно функционировать в меняющихся производственных условиях.
Приоритеты и сложности
Наиболее востребованы такие приборы в топливно-энергетическом комплексе – одном из самых приоритетных направлений в экономике страны. Многие процессы постоянно совершенствуются и автоматизируются, поэтому приходится решать множество задач по контролю над рабочими параметрами. Количество рабочей среды, уровень, плотность, расход, границы раздела газообразной и жидкой среды – все это можно проконтролировать с помощью высокоточных датчиков. Важно, чтобы приборы по контролю за технологическими процессами могли функционировать при высоких рабочих температурах и в условиях постоянного механического воздействия. Так, популярной проблемой стала сложность автоматизации производства на тепловых электростанциях. Проблема связана с отсутствием стабильных устройств контроля над уровнем сыпучих материалов в системах золоудаления и топливоподачи. Возникают сложности при замерах вязкости мазута, плотности водоугольной смеси. Все это в комплексе вызывает поломки технологического оборудования, снижение надежности энергоснабжения и ухудшение экологической обстановки в регионе.
Чтобы решить эту проблему, нужны высокочувствительные приборы для контроля и управления технологическими процессами, способные работать в условиях сильного теплового и механического воздействия. Производители измерительного оборудования стараются предлагать новые конструктивные решения, разрабатывая многофункциональные и надежные в эксплуатации датчики для различных сфер промышленности.
Классификация приборов контроля
В России и за ее пределами активно используются электромеханические первичные преобразователи, работающие по принципу пьезоэлектрического возбуждения. Такие приборы имеют привлекательные метрологические, массогабаритные, эксплуатационные и ценовые показатели. Анализ построения таких устройств позволяет выделить два приоритетных направления в их разработке:
Принципы работы и характеристики основных приборов контроля параметров технологических процессов.
Приборы для измерения разности двух давлений (перепада) называются дифференциальными манометрами или дифманометрами. Здесь давление воздействует на чувствительный элемент с двух сторон, эти приборы имеют два входных штуцера для подачи большего (+Р) и меньшего (-Р) давления.
Дифманометры можно разделить на две основные группы: жидкостные и пружинные. По виду чувствительного элемента среди пружинных наиболее распространены мембранные, сильфонные, среди жидкостных − колокольные
Мембранный блок обычно заполняется дистиллированной водой.
Колокольные дифманометры, у которых чувствительным элементом является колокол, частично погруженный вверх дном в трансформаторное масло, являются наиболее чувствительными. Они применяются для измерения небольших перепадов давления в пределах 0 – 400 Па, например, для контроля разряжения в топках сушильных и котельных установок
Рассмотренные дифманометры относятся к бесшкальным, регистрация контролируемого параметра осуществляется вторичными приборами, на которые поступает электрический сигнал от соответствующих преобразователей перемещения.
Б) манометрические термометры. Данное устройство включает в себя чувствительный элемент (термобаллон) и показывающий прибор, соединенных капиллярной трубкой и заполненных рабочим веществом. Принцип действия основан на изменении давления рабочего вещества в замкнутой системе термометра в зависимости от температуры.
В зависимости от агрегатного состояния рабочего вещества различают жидкостные (ртуть, ксилол, спирты), газовые (азот, гелий) и паровые (насыщенный пар низкокипящей жидкости) манометрические термометры.
Давление рабочего вещества фиксируется манометрическим элементом – трубчатой пружиной, раскручивающейся при повышении давления в замкнутой системе.
В зависимости от вида рабочего вещества термометра пределы измерения температуры составляют от – 50 до +1300 0 С. Приборы могут оснащаться сигнальными контактами, записывающим устройством.
Терморезисторы (термосопротивления). Принцип действия основан на свойстве металлов или полупроводников (термисторы) изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Эта зависимость для терморезисторов имеет вид:
где R0 – сопротивление проводника при Т0=2930К;
αТ – температурный коэффициент сопротивления.
Для регистрации контролируемой температуры терморезистор, как первичный датчик, подключается к автоматическому мосту переменного тока (вторичный прибор), данный вопрос будет рассмотрен ниже.
Термопары. Для измерения температур в больших диапазонах и свыше 1000 о С обычно применяют термоэлектрические термометры (термопары).
Принцип действия термопар основан на эффекте возникновения ЭДС постоянного тока на свободных (холодных) концах двух разнородных спаянных проводников (горячий спай) при условии, что температура холодных концов отличается от температуры спая. Величина ЭДС пропорциональна разности этих температур, а величина и диапазон измеряемых температур зависит от материала электродов. Электроды с нанизанными на них фарфоровыми бусами помещаются в защитную арматуру.
Подключение термопар к регистрирующему прибору производится специальными термоэлектродными проводами. В качестве регистрирующего прибора может использоваться милливольтметр с определенной градуировкой или автоматический мост постоянного тока (потенциометр).
При расчете систем регулирования термопары могут представляться, как и терморезисторы, апериодическим звеном первого порядка или пропорциональным.
В) Уровнемеры для жидкостей по принципу действия делятся на указательные стекла, поплавковые, гидростатические, электрические и радиоактивные. Указательные или уровнемерные стекла представляют собой вертикально расположенную стеклянную трубку, в которой жидкость, как в сообщающихся сосудах, устанавливается на той же высоте, что и в аппарате. Указательные стекла применяются для местного измерения уровня в аппаратах.
Поплавковые уровнемеры. В этих приборах чувствительным элементом является поплавок с меньшим (плавающий) или большим (погружной) удельным весом, чем жидкость. Изменение уровня жидкости в аппарате вызывает перемещение поплавка, которое при помощи системы рычагов, тяг и тросов передается указателю, движущемуся по шкале, или вторичному прибору для отсчета, записи.
Гидростатические уровнемеры служат для измерения гидростатического давления столба жидкости, уровень которой определяется. Различают гидростатические пьезометрические и дифманометрические уровнемеры.
Действие гидростатических пьезометрических уровнемеров основано на использовании давления воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости с измеряемым уровнем при изменении последнего.
Действие гидростатических дифманометрических уровнемеров основано на определении уровня по давлению столба измеряемой жидкости, которое уравновешивается давлением постоянного столба жидкости.
Электрические уровнемеры. Наиболее широко распространены уровнемеры емкостные и омические.
В электрических емкостных уровнемерах чувствительным элементом является конденсатор, обкладки которого располагаются с противоположных сторон вертикальной трубки из диэлектрика, соединенной с аппаратом подобно сообщающимся сосудам. Если одной обкладкой конденсатора является электрод, то другой – стенка аппарата. При изменении уровня жидкости емкость конденсатора, включенного в одно из плеч моста переменного тока, изменяется, и на вход вторичного прибора подается сигнал, пропорциональный величине измеряемого уровня.
Действие электрических омических уровнемеров, применяемых для определения уровня электропроводных жидкостей, основано на измерении сопротивления между электродами соответствующей формы, введенными в жидкость. При этом сопротивление слоя жидкости между электродом и корпусом или между двумя электродами зависит от высоты уровня жидкости в аппарате. Радиоактивные уровнемеры. Измерение уровня жидкости основано на измерении интенсивности поглощения g-частиц при изменении уровня жидкости.
Приборы контроля параметров и системы противоаварийной защиты технологических процессов
Цель: изучить принципы работы аппаратурного оформления приборов автоматического контроля
Приборы и оборудование: контрольно-измерительные приборы температуры, контрольно-измерительные приборы давления, контрольно-измерительные приборы уровня.
Теоретические сведения.
Для измерения температуры используют изменение какого либо физического свойства тела,зависящего от его температуруы и легко поддающегося измерению.
К числу свойств,положенных в основу работы приборов для измерения температуры, относятся: объемное расширение тел, изменение давления вещества в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучения наггретых тел и др.
В зависимости от физических свойств, на которых основано действие приборов для измерения температуры, различают:
1. Термометры расширения, построенные по принципу изменени объема жидкости или линейных размеров твердых тел при изменениии температуры (применяются для измерения температуры от – 190 до +500 °C).
2. Манометрические термометры, при которых происходит изменение объема жидкости, газа или пара в замкнутом объеме при изменении температуры (применяются для измерения температуры от – 10 до +600 °C).
3. Термоэлектрические пирометры (термопары), происходит возникновение электродействующей силы при изменении температуры одного из спаев замкнутой цепи разнороднх термоэлектродов (применяются для измерения температуры от – 200 до +2000 °C).
4. Термометры сопротивления, изменение электического сопротивления проводника или полупроводника при изменении температуры(применяются для измерения температуры от – 200 до +650 °C).
5. Пирометры излучения, изменение интенсивности излучения нагретых тел в зависимости от изменения температуры (применяются для измерения температуры от – + 600 до +6000 °C).
Термопара представляет собой соединение двух проводников, изготовленных из разных металлов. Эти проводники называют термоэлектродами. Существуют также термопары из полупроводниковых материалов.
При нагревании места соединения (спая) в нём возникает термоэлектродвижущая (термо-ЭДС) сила, величина которой однозначно зависит от температуры нагрева. Почти любое сочетание двух разных металлов даёт термоэлектродвижущую силу при нагреве места соединения, однако для практических целей пригодны лишь немногие сочетания.
 |
| Рис. 1.1 Термопара |
Материалы, подбираемые для изготовления термопар, должны удовлетворять определённым требованиям, в том числе обладать неизменностью свойств и химического состава при рабочих температурах, достаточно высокой термо-ЭДС, иметь близкую к линейной зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры и способность протягиваться в проволоку. При этом проволоки, изготовленные из металла разных плавок, должны иметь одинаковые свойства.
Полностью этим условиям не удовлетворяет ни один из известных материалов. В зависимости от назначения термопары изготовляют из материалов, обладающих теми или иными качествами.
 | Рис. 1.2 Подключение термопары |
Самые точные и стабильные термопары составляют из благородных металлов: чистой платины и сплава платины и родия (платинородий). Термопары платина – платинородий применяют для точных лабораторных измерений и для технических измерений в особо ответственных технологических процессах. Максимальный предел измерения 1600 °С.
Технические термопары из неблагородных металлов имеют меньшую стабильность характеристик, сравнительно низкую предельную температуру, но обладают большей термоэлектродвижущей силой и значительно дешевле платиновых термопар.
Для технических измерений используют термопары: хромель – алюмель (ХА) и хромель – копель (ХК).
Иногда используют термопары медь – константан, медь – копель, железо – копель, которые не изготовляются в массовом количестве.
Термопары заключают в защитную арматуру, которая предохраняет их от повреждения.
Термоэлектродвижущая сила, возникающая в спае, очень мала, поэтому для работы в комплекте с термопарой используют высокочувствительные измерительные приборы: милливольтметры и потенциометры. Для соединения термопар с вторичными приборами используют термо-компенсационный провод.
Давление определяется отношение силы, равномерно распределенной по площади и нормальной к ней, к размеру этой площади. В зависимости от измеряемой величины приборы измерения давления делятся на:
7. дифманометры – измерение разности перепада давления;
8. барометры – измерение атмосферного давления.
По принципу действия различают следующие приборы для измерения давления: жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, радиоактивные.
Манометр– прибор, измеряющий давление жидкости или газа. Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трубко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.
Манометры подразделяются по классу точности (отношение наибольшей допускаемой погрешности измерений к пределу измеряемого давления). Чем меньше класс точности, тем точнее прибор.
 | Рис. 1.3 Схема манометра: 1 – трубка; 2 – зубчатое колесо; 3 – шкала; 4 – передаточный механизм – стрелка; 5 – зубчатый сектор. |
В зависимости от конструкции, чувствительности элемента различают манометры жидкостные, грузопоршневые, деформационные (с трубчатой пружиной или мембраной). Манометры подразделяются по классам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор).
Манометры в гидросистемах подключают при помощи вентиля манометра, выполненного по типу гидровентиля. Для измерения давления одним манометром поочередно в нескольких гидравлических линиях применяется переключатель манометра, обеспечивающий подвод к прибору давления от выбираемой магистрали.
Реле давления представляет собой предохранительный клапан, связанный с микропереключателем, к которому подключена сигнальная лампочка.
Уровнемеры для жидкостей по принципу действия делятся на указательные стекла, поплавкове, гидростатические, электрические и радиоактивные.
Указательные или уровнемерные стекла представляют собой вертикально расположенную стеклянную требку,в которой жидкость, как в сообщающихся сосудах, устанавливается на той же высоте, что и в аппарате.
В поплавковых уровнемерах чувствительным элементом является поплавок с меньшим (плавающим) или большим (погружной) удельнмы весом, чем жидкость. При изменение уровня жидкости происходит перемещение поплавка.
Гидростатические уравнемеры служат для измерения гидростатического давления столба жидкости,уровень которой определяется. Различают пьезометрический (использование давление воздуха или газа) и дифманометические (определение уровня по давлению измеряемого столба жидкости).
Электрические уровнемеры бывают емкостные и омические. В емкостных уровнемерах чувствительным элементом является конденсатор, обкладки которого распологаются с противоположных сторон вертикальной трубки из диэлектрика, соединенной с аппаратом подобно сообщающимся сосудам. Действие омических уровнемеров основано на измерении сопротивления между электродами соответствующей формы, введенными в жидкостью При этом сопротивление между электродом и корпусом или между двумя электродами и корпусом или между двумя электродами зависит от высоты уровня жидкости в аппарате.
Радиоактивные уровнемеры. Измерение уровня жидкости основано на измерении интенсивности поглащения γ-частиц при изменении уровня жидкости.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров.
В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости.
Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.
При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.
К основным факторам, характеризующим возможное развитие процесса горения на пожаре:
1) пожарная нагрузка;
2) массовая скорость выгорания;
3) скорость распространения пожара;
4) температура пожара;
5) интенсивность выделения тепла.
Пожарная нагрузка характеризует энергетический потенциал сгораемых материалов, приходящийся на единицу соответствующей площади. Она измеряется в единицах энергии или количества сгораемых материалов на единице площади.
Пожарная нагрузка помещения состоит из постоянной и временной. В зданиях пожарная нагрузка каждого этажа определяется отдельно и лимитируется соответствующими нормативами.
Массовая скорость выгорания – потеря массы горящего материала в единицу времени. Она зависит от отношения площади поверхности горения веществ к их объему, плотности упаковки, условий газообмена и других причин. Чем больше скорость выгорания, тем выше температура, развиваемая при пожаре.
Скорость распространения пожара определяется скоростью распространения пламени по поверхности горючего материала. Она зависит от многих факторов. Кроме того, она непостоянна во времени. На практике при проведении расчетов пользуются средними значениями этого параметра:
Скорость распространения пламени по поверхности материалов варьируется в широких пределах в зависимости от угла наклона этой поверхности к горизонтали. При угле наклона 90 градусов скорость распространения пламени вниз меньше указанных значений в 2 раза, а вверх – в 8–10 раз больше.
При увеличении температуры скорость увеличивается, а при достижении температуры самовоспламенения материалов их поверхность охватывается пламенем почти мгновенно.
Под температурой внутреннего пожара понимают среднеобъемную температуру газовой среды помещения, а для открытого пожара – температуру пламени.
Для обеспечения эффективной работы системы автоматической пожарной сигнализации (АПС) необходимо определить влияющие на нее показатели пожарных извещателей. Номенклатура показателей состоит из нескольких групп (ГОСТ 4.188).
Чувствительность или порог срабатывания определяются как минимальное значение величины контролируемого параметра, при которой происходит срабатывание автоматического пожарного извещателя (АПИ).
Средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы, вероятность возникновения отказа, приводящего к ложному срабатыванию и др. Все эти показатели характеризуют свойства безотказности и указывают в технической документации на изделия.
Чувствительный элемент пожарного извещателя и система обработки сигнала преобразуют контролируемый параметр в электрический сигнал, удобный для дальнейшей обработки и передачи.
Если пожарный извещатель преобразует входную информацию без дополнительного источника энергии, то он называется генераторным. Если для такого преобразования требуется дополнительный источник питания, то такой извещатель называется параметрическим. Очевидно, что параметрические извещатели выгодно отличаются от генераторных тем, что электрическая выходная величина может передаваться на значительные расстояния.
Весьма важной характеристикой извещателя является его чувствительность. Она характеризует способность извещателя реагировать на информационные параметры пожара и равна отношению приращения выходной величины к приращению входной величины извещателя. В АПИ рабочая точка выбирается таким образом, чтобы обеспечить нечувствительность к определенному значению параметра окружающей среды. Это делается в целях повышения уровня помехозащищенности и обеспечения надежности извещателя. Например, для тепловых пожарных извещателей, работающих на обрыв цепи, при достижении порога срабатывания рабочая точка выбирается равной 70 °С. Если ее выбрать равной температуре помещения или ниже ее, то извещатель будет выдавать ложные срабатывания.
Автоматические пожарные извещатели в зависимости от характера взаимодействия информационными характеристиками пожара можно разделить на три группы.
Контрольные вопросы:
1. Особенности управления потенциально пожароопасными технологическими процессами.
2. Принципы работы и характеристики основных приборов контроля параметров технологических процессов:
а) датчики давления;
б) датчики температуры;
3. Основные информационные параметры пожара.
Контроль и регулирование основных технологических параметров: расхода, уровня, давления и температуры
Совокупность единичных операций образует конкретные технологические процессы. В общем случае технологический процесс реализуется посредством технологических операций, которые выполняются параллельно, последовательно или комбинированно, когда начало последующей операции сдвинуто по отношению к началу предыдущей.
Управление технологическим процессом представляет собой организационно-техническую задачу, и решают ее сегодня, создавая автоматические или автоматизированные системы управления технологическим процессом.
К числу типовых технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.
Замкнутые системы используют текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение ε( t) управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Y(o) и принимают действия к уменьшению или полному исключению ε ( t ).
Простейшим примером замкнутой системы, называемой системой регулирования по отклонению, служит показанная на рисунке 1 система стабилизации уровня воды в баке. Система состоит из измерительного преобразователя (датчика) 2 уровня, устройства 1 управления (регулятора) и исполнительного механизма 3, управляющего положением регулирующего органа (клапана) 5.
Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра.
Обычно управление расходом — это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера, изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения привода насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы).
Принципы реализации регуляторов расхода жидких и газообразных сред показаны на рисунке 2, а, сыпучих материалов — на рисунке 2, б.
Рис. 2. Схемы регулирования расхода: а — жидких и газообразных сред, б — сыпучих материалов, в — соотношения сред.
В практике автоматизации технологических процессов встречаются случаи, когда требуется стабилизация соотношения расходов двух или более сред.
В схеме, показанной на рисунке 2, в, поток к G1 — ведущий, а поток G2 = γ G — ведомый, где γ — коэффициент соотношения расходов, который устанавливают в процессе статической настройки регулятора.
При изменении ведущего потока G1 регулятор FF пропорционально изменяет ведомый поток G2.
Выбор закона регулирования зависит от требуемого качества стабилизации параметра.
Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. В общем случае поведение уровня описывается дифференциальным уравнением
Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу (рис. 3, а) или расход (рис. 3, б) жидкости. В варианте регулятора, показанном на рисунке 3, в, используют для стабилизации параметра результаты измерений подачи и расхода жидкости.
Импульс по уровню жидкости — корректирующий, он исключает накопление ошибки вследствие неизбежных погрешностей, возникающих при изменении подачи и расхода. Выбор закона регулирования также зависит от требуемого качества стабилизации параметра. При этом возможно использование не только пропорциональных, но также и позиционных регуляторов.
Рис. 3. Схемы систем регулирования уровня: а — с воздействием на подачу, б и в — с воздействием на расход среды.
Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. В общем случае изменение давления описывается уравнением:
где V — объем аппарата, р — давление.
Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня.
Температура — показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Особенность такой системы — значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя.
Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня (рис. 2) с учетом управления расходом энергии в объекте. Выбор закона регулирования зависит от инерционности объекта: чем она больше, тем закон регулирования сложнее. Постоянная времени измерительного преобразователя может быть снижена за счет увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения толщины стенок защитного чехла (гильзы) и т. д.
Регулирование параметров состава и качества продукта
При регулировании состава или качества продукта возможна ситуация, когда параметр (например, влажность зерна) измеряют дискретно. В этой ситуации неизбежны потеря информации и снижение точности динамического процесса регулирования.
Рекомендуемая схема регулятора, стабилизирующего некоторый промежуточный параметр Y(t), значение которого зависит от основного регулируемого параметра — показателя качества продукта Y(t i ), показана на рисунке 4.
Рис. 4. Схема системы регулирования качества продукта: 1 — объект, 2— анализатор качества, 3 — экстраполяционный фильтр, 4 — вычислительное устройство, 5 — регулятор.
Вычислительное устройство 4, используя математическую модель связи между параметрами Y(t) и Y(t i ), непрерывно оценивает показатель качества. Экстраполяционный фильтр 3 выдает оценочный параметр качества продукта Y(t i ) в промежутках между двумя измерениями.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: