2004

Измерение – это определение значения параметра экспериментальным путём с помощью технического средства.

Основное уравнение измерения имеет вид y = N·x,

где y – измеряемый параметр; N – количество (число) измеренных прибором единиц размерности; x – единица измерения параметра, например, температурный градус.

Сигнал – это измеренная датчиком первичная информация, например, электрический ток от термопары (эффект Зеебека). При этом надо отличать сигналы на входе и выходе из средства измерения, соответственно — входной и выходной сигналы.

Измерительный преобразователь – устройство, преобразовывающее сигнал после датчика, для дальнейшей передачи по линии связи.

Датчик-реле (сигнализатор) – устройство для подачи сигнала о перерегулировании.

Измерительный прибор – устройство для получения значений измеряемого параметра ТГВ в диапазоне его действия. В России к таким приборам относят средства измерения, включённые в ГСП.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от точного значения измеряемого параметра.

Классифицировать погрешности измерения можно как систематические, случайные и субъективные. Систематические погрешности, в свою очередь, бывают: инструментальные; от неверной установки средств измерений; от влияния внешней среды; методические (неточная теория). Случайные погрешности происходят при повторяющихся измерениях одного и того же параметра. Субъективные погрешности возникают из-за человеческого фактора: ошибки по невнимательности, по неопытности и т.д.

Абсолютная погрешность измерения – это разность между измеренным значением xизм и точным (образцовым) xточ значением величины параметра, то есть

= xизм – xточ.

Относительная погрешность измерения δ, % – это отношение абсолютной погрешности измерения к точному значению измеряемого параметра, умноженное на 100%, то есть

δ=± xточ 100% .

20

Иногда точное значение xточ определить невозможно. Тогда его можно принять как среднее арифметическое xср многократно повторяющихся измерений одного и того же параметра

где n – число параллельных измерений, равно или больше 4. Вообще, чем больше n, тем точнее xср (1-я теорема П.Л. Чебышёва, 1866 год).

Автоматизация ТГВ функционально состоит из систем таких разновидностей:

1)автоматический контроль параметров;

2)местный и дистанционный контроль над процессами, устройствами и исполнительными механизмами;

3)устройства защитной блокировки для нестандартных ситуаций;

4)устройства сигнализации светом и звуком при аварии;

5)автоматическое регулирование параметров.

Диспетчерская служба с операторами (людьми) всё равно нужна для контроля автоматизированного инженерного оборудования крупных зданий и сооружений. Человек должен время от времени поглядывать на экран промышленного компьютера.

КИП – это контрольно-измерительный прибор, состоящий из:

1)первичного прибора;

2)вторичного прибора;

3)соединительных линий.

Первичный прибор – это датчик, располагаемый в месте измерения параметра на контакте с измеряемой средой.

Вторичный прибор – показывающий преобразованное для восприятия значение измеренной величины вдали от места измерения параметра. Обычно находится на щитке управления.

Соединительные линии – это связи, по которым передаются сигналы от первичного прибора к вторичному, то есть провода или трубки, в зависимости от физики сигнала: электрические (ток), гидравлические (жидкость) или пневматические (воздух).

Приборы могут быть показывающими (со шкалой, стрелкой или цифрами), регистрирующими (самописцы или электронная память) и суммирующими (интегрирующими – например, счётчик).

Класс точности средств изменений – это процент погрешности прибора. ГОСТ 8.401-80 даёт обозначения классов точности следующими цифрами: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

21

2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

При автоматизации ТГВ основными параметрами контроля являются температура, давление, расход объёмный и весовой, уровень жидкости или сыпучего материала, относительная влажность воздуха. Рассмотрим их измерение для систем автоматизации ТГВ.

2.1. Измерение температуры в системах ТГВ

Температура – это мера степени нагретости тела (твёрдого, жидкого или газообразного).

В России применяют две температурные шкалы:

1)в Кельвинах, K – соответствует СИ;

2)и в градусах Цельсия,°С – более удобная шкала.

По величине они равны 1 К = 1 °С, но точки отсчёта разные. Связь между ними такая:

t = T – 273 К,

где t – температура в градусах Цельсия,°С; T – температура в Кельвинах, К. Например, 0 °С соответствует 273 K.

Рассмотрим датчики температуры САР и АСУ ТП для ТГВ.

Биметаллический датчик температуры – это вариант датчикареле, работающий на замыкание-размыкание электрического контакта под воздействием температуры. Срабатывание датчика происходит вследствие деформации спирали или пластины из двух разных металлов, например, железа и меди.

Термосопротивление – это датчик температуры в виде резистора, у которого электрическое сопротивление R, Ом, зависит от температуры (эффект Томсона).

Термопара – это датчик, вырабатывающий (генерирующий) слабый электрический ток в зависимости от температуры в месте спая из разнородных металлов. Термопара – это миниатюрный аккумулятор электрической энергии постоянного тока (эффект Зеебека).

Термометр ртутный электроконтактный – это градусник с ртутью, которая замыкает-размыкает на его шкале электрические контакты, впаянные в капиллярную трубку термометра.

Термометр манометрический электроконтактный – это манометр со стрелкой на шкале, замыкающей электрический контакт, а тепло воспринимается термобаллоном в среде измерения.

22

2.2. Измерение давления в системах ТГВ

Давление – это скалярная величина, характеризующая напряжённое состояние жидкости или газа. Давление равно модулю нормального напряжения в точке, в системе СИ его измеряют в паскалях: Па = Н/м2.

Связь единиц давления в различных системах измерения такая: 100 000 Па = 100 кПа = 0,1 МПа = 1 кгс/см2 = 10 000 кгс/м2 =

= 1 атм = 10 м вод. ст. = 10 000 мм вод. ст. = 760 мм рт. ст. Давление может быть измерено как абсолютное, избыточное или

вакуумметрическое в зависимости от объекта измерения. Эти разновидности изучают в гидравлике – механике жидкости и газа (МЖГ).

Рассмотрим датчики давления систем автоматизации ТГВ.

В этих датчиках давление измеряемого параметра объекта преобразуется в стандартный электрический, гидравлический или пневматический сигналы либо (по современному) в цифровой код для компьютерной сети по проводам или без проводов.

Датчики выпускают:

1)абсолютного давления – ДА;

2)избыточного давления – ДИ;

3)избыточного давления-разрежения (вакуума) – ДИВ;

4)дифференциального давления, разности давлений – ДД;

5)гидростатического давления, уровня воды – ДГ.

Некоторые современные датчики имеют все вышеперечисленные функции измерения давления: ДА, ДИ, ДИВ, ДД, ДГ. Например, датчик давления отечественного производства Сапфир-22ЕМ (рис. 9) является таким универсальным первичным прибором.

Рис. 9. Пример подключения 4-х датчиков давления Сапфир-22ЕМ (слева) через HART-модемы по проводам к ноутбуку и без проводов к смартфону

23

2.3. Измерение расхода в системах ТГВ

Расход потока – это объём жидкости, проходящий через живое сечение потока в единицу времени. Это объёмный расход для воды. Единицы измерения расхода в СИ м3/с, а в других системах: м3/ч, м3/сут, л/с.

Для газа (воздуха) применяют массовый расход (кг/с), то есть объёмный расход, умноженный на плотность газа. Причём вначале объёмный расход газа приводят к нормальным условиям по температуре 293 К (комнатная +20 °С) и давлению 101325 Па (нормальное атмосферное давление). Это создаёт дополнительные сложности, поэтому современные расходомеры автоматизации ТГВ преобразуют информацию в цифровой код для компьютерной сети по проводам или без проводов для дальнейших автоматических расчётов на промышленных компьютерах по программам.

Датчики расхода для жидкости и газа работают при переменном и постоянном перепаде давлений. Есть расходомеры крыльчатого, турбинного, вихревого, ультразвукового и ротационного типа.

Расходомеры с переменным перепадом давления следующие: диафрагмы, сóпла и расходомерные трубы Вентури. Это старинные технологии, разработанные ещё в конце XVIII века. Однако перепад давления преобразуют по современному в электрический сигнал, например с использованием универсального датчика давлениярасхода «Сапфир–22ЕМ» дифференциального давления (см. рис. 9).

Другим примером подобного расходомера является датчик «Метран», позволяющий измерять объёмный расход воды, пара и газа посредством перепада давления с применением осредняющей напорной трубки в роли первичного прибора.

2.4. Измерение уровня в системах ТГВ

Уровень в системах ТГВ контролируют в ёмкостных нагревателях горячего водоснабжения, в дренажных приямках при откачке воды, в газовых резервуарах под давлением, в паровых котлах и т.д.

Уровнемеры выпускают: поплавковые, буйковые, ёмкостные, сопротивления, кондуктометрические, гидростатические, вибрационные, радиоизотопные, радиолокационные, ультразвуковые, оптикоэлектронные, лазерные.

24

2.5. Измерение относительной влажности в системах ТГВ

Относительная влажность, % – это отношение массы водяного пара в 1 м3 воздуха к максимально возможной его массе в 1 м3 при точке росы (туман, конденсат) для конкретной температуры.

В системах автоматизации ТГВ при кондиционировании воздуха относительная влажность может быть измерена с преобразованием в электрический сигнал с помощью следующих датчиков-гигрометров:

1)конденсационный, действует на основе метода точки росы – выпадает конденсат на металлическом зеркале, а датчик измерения его температуры (термопара), при наличии источника света и оптического детектора, даёт электрический сигнал; датчик имеет большой температурный диапазон от –70 °С до +100 °С, но недостатком является загрязнение зеркала пылью или агрессивными газами, кроме того, конструкция сложна, стоимость высока — это сдерживает его использование, ограничиваясь лабораториями;

2)сорбционный, состоит из трубки c тканью, пропитанной раствором хлорида лития; снаружи трубки спираль из двух электродов, на которые поступает напряжение, нагревающее раствор с испарением воды, концентрация раствора увеличивается, а ток между электродами падает, раствор сорбирует водяной пар из воздуха, что приводит к равновесию процесса при температуре, связанной с точкой росы, и позволяет получить электрический сигнал об относительной влажности; работает в температурном диапазоне от –10 °С до +60 °С;

3)резистивный, работает за счёт зависимости между электрическим сопротивлением (резистором) датчика и относительной влажностью воздуха при температурах от –10 °С до +80 °С;

4)электролитический, состоит из электродов (напряжение 70 В), воздействующих на покрытие трубки с фосфорным ангидридом P2O5

ина проходящий через трубку исследуемый газ, содержащий пары воды, при этом происходит электролиз воды с расщеплением на кислород и водород, поэтому зависимость по закону Фарадея между количеством электричества, проходящим между электродами, и количеством воды, подвергнутой электролизу, позволяет измерить относительную влажность при очень низком содержании водяного пара в воздухе;

5)психрометрический, состоит из двух термометров, сухого и влажного, с термопарами, дающими электрический сигнал.

25

3.АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

Всистемах ТГВ регулируют температуру, давление, расход, уровень и относительную влажность воздуха. Рассмотрим кратко автоматическое регулирование этих параметров.

3.1.Автоматическое регулирование температуры

Регулирование температуры в системах ТГВ производят часто. Диапазон регулируемых температур бывает от +8 °С на холодном хозяйственно-питьевом водопроводе В1 до максимума температуры воды +150 °С, поступающей в качестве теплоносителя из наружной подающей трубы Т1 городской теплосети централизованного теплоснабжения. Температуру воздуха в помещениях зданий в основном стремятся поддерживать близкой к комнатной +20 °С.

Самое простое регулирование температуры уже было рассмотрено в 1-м базовом примере введения (см. рис. 1). По алгоритму автоматизации из 8 шагов работают почти все системы автоматизации ТГВ – с обратной связью. Подробности конкретных решений по автоматическому регулированию температуры будут рассмотрены в разделе по проектированию автоматизации систем ТГВ зданий.

3.2.Автоматическое регулирование давления

ВТГВ давление регулируют в пределах от 10–50 Па в системах кондиционирования воздуха до 6 МПа при водо-, холодо- и теплоснабжении, а также при снабжении сжатым воздухом. Поэтому диапазон применяемых автоматических регуляторов широк.

Всовременных системах отопления используют автоматический пропорциональный регулятор прямого действия, состоящий из исполнительного механизма и клапана. Устройство может работать для обеспечения перепада давления либо ограничивать расход воды, а также для поддержания постоянства расхода. Его можно устанавливать на подающей Т1 или обратной Т2 трубе отопления.

Подробности конкретных решений по автоматическому регулированию давления также будут рассмотрены в следующем разделе по проектированию автоматизации систем ТГВ зданий и сооружений.

26

3.3. Автоматическое регулирование расхода

Регулирование расхода в системах ТГВ имеет особенности, связанные с этим параметром:

1)быстрое изменение расхода при малом времени установления;

2)пульсации давления вследствие гидравлических ударов.

В этом можно убедиться и в ручном режиме, быстро открывая и закрывая водопроводный кран, наблюдая при этом почти моментальное изменение расхода, а при резком закрывании или открывании крана может наступить гидравлический удар в трубе с вибрацией.

Такие явления обязывают тщательно подбирать средства автоматизации расхода в системах ТГВ при их проектировании, что будет рассмотрено далее в соответствующем разделе.

3.4. Автоматическое регулирование уровня

Уровень жидкости выступает показателем гидродинамического равновесия в различных ёмкостях систем ТГВ. Постоянство уровня сигнализирует наблюдателю, что система находится в стационарном состоянии покоя или равенства притока и оттока. В сложных системах с тепломассообменом, уровень отражает и гидравлические, и тепломассообменные процессы. Например, в испарителях, конденсаторах, выпарных установках и т.д.

Регулирование уровня жидкости может быть:

1)позиционное, то есть в широком диапазоне;

2)непрерывное, при постоянном заданном значении уровня.

3.5.Автоматическое регулирование относительной влажности

Регулирование относительной влажности в системах ТГВ относится к кондиционированию воздуха. Способы регулирования:

1)прямой, когда датчик устанавливают помещении при случайном характере изменения влажности;

2)косвенный, при хорошо известной закономерности изменения влажности, при этом регулируют температуру точки росы приточного воздуха после вентилятора или после оросительной камеры.

Перейдём к основам проектирования автоматизации систем ТГВ.

27

4.ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ ТГВ

4.1.Условные обозначения

С1 января 2015 года в России введён в действие новый ГОСТ 21.208–2013 «Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах». Проектирование автоматизации систем ТГВ следует выполнять на основе этого нормативного документа.

В ГОСТе даны следующие термины и определения.

Контур контроля, регулирования и управления – совокупность функционально связанных приборов, выполняющих задачу по контролю, регулированию, сигнализации, управлению и т.п.

Система противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ) – система управления технологическим процессом, которая в случае выхода процесса за безопасные пределы, выполняет комплекс мер по защите населения, персонала и оборудования.

Познакомимся с главными условными обозначениями из ГОСТа. Прибор, аппарат, устанавливаемый вне щита (по месту):

а) основное обозначение б) допускаемое обозначение

Прибор, аппарат, устанавливаемый на щите, пульте: а) основное обозначение б) допускаемое обозначение

Условные обозначения приборов и средств автоматизации должны, кроме того, соответствовать ГОСТ 2.721–74 «Обозначения условные графические в схемах». Покажем некоторые из них.

Поток жидкости Поток газа (воздуха)

Привод электромашинный М или М Иногда используют ГОСТ 21.205–93 «Условные обозначения

элементов санитарно-технических систем». Вентилятор радиальный Вентилятор осевой Вентиль запорный проходной Клапан регулирующий Клапан обратный проходной Кран трёхходовой

И так далее, ГОСТы имеют свободный доступ в Интернете.

28

Не надо также забывать про условные обозначения по ранее изученным дисциплинам, то есть по водоснабжению, водоотведению, отоплению, вентиляции. Например, такие:

В1 – холодный хозяйственно-питьевой водопровод; Т1 – подающий трубопровод теплосети или водяного отопления;

Т2 – обратный трубопровод теплосети или водяного отопления; Т3 – подающий трубопровод горячего водоснабжения; Т4 – циркуляционный трубопровод горячего водоснабжения. Вернёмся к новому ГОСТ 21.208–2013.

Этот ГОСТ устанавливает два метода построения условных обозначений:

1)упрощённый;

2)развернутый.

При упрощённом методе построения приборы и средства автоматизации, осуществляющие сложные функции, например, контроль, регулирование, сигнализацию, изображают одним условным обозначением. При этом первичные измерительные преобразователи (датчики) и всю вспомогательную аппаратуру не изображают.

При развёрнутом методе построения каждый прибор или блок, входящий в единый измерительный, регулирующий или управляющий комплект средств автоматизации, указывают отдельным условным обозначением, а в подрисуночной надписи располагают в две отдельные строки: приборы по месту и приборы на щите.

Условные обозначения приборов и средств автоматизации, применяемые в схемах, включают графические, буквенные и цифровые обозначения (рис. 10).

В верхней части графического обозначения наносят 4 буквы:

1)измеряемой величины (основное и дополнительное);

2)функционального признака прибора, определяющего его назначение (два обозначения).

В нижней части графического обозначения наносят цифровое (позиционное) обозначение прибора или комплекта средств автоматизации.

При построении обозначений комплектов средств автоматизации первая буква в обозначении каждого входящего в комплект прибора или устройства (кроме устройств ручного управления и параметра «событие, состояние») является обозначением измеряемой комплектом величины.

29