книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

должны непременно учитываться при разработке, производстве и использовании приборов, средств автоматики и телемеханики, вхо­ дящих в государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации.

Развитие отечественного приборостроения путем создания ГСП вместо отдельных приборов и средств автоматизации, раз­ рабатывавшихся для решения частных задач, дает ряд серьезных технико-экономических выгод. Преимущества ГСП состоят в сле­ дующем:

1. Любой из вновь создаваемых в рамках системы приборов или устройств способен работать совместно с другими приборами

иустройствами.

2.Возможно проведение целеустремленной технической поли­ тики, обеспечивающей широкое внедрение новых, прогрессивных принципов при конструировании приборов и средств автоматиза­ ции. Это в свою очередь даст возможность увеличить их надеж­ ность, точность и быстродействие.

3.Снижаются производственные затраты вследствие примене­ ния модульно-блочных принципов построения конструкций, увели­ чения объема производства (при применении унифицированных модулей и блоков), специализации и кооперирования производства приборов и технических средств автоматизации.

4.Уменьшается необходимая номенклатура и общее количество приборов, которое надо иметь в резерве при эксплуатации систем автоматического контроля, регулирования и управления за счет применения унифицированных блоков и модулей.

5.Уменьшаются затраты на ремонт вследствие использования возможности замены отдельных унифицированных модулей и бло­ ков, а не прибора или устройства в целом, а также за счет сокра­ щения времени необходимого на ремонт.

Проводимые в СССР работы по созданию ГСП координируются

сработами по созданию международной универсальной системы автоматического контроля, регулирования и управления (УРС), осуществляющейся в рамках Совета Экономической Взаимопо­ мощи.

Преемственность и согласованность УРС с нашей государ­ ственной системой приборов и средств автоматизации достигается унификацией: входных и выходных сигналов (в настоящее время это обеспечено для сигналов пневматической ветви и сигналов электрической аналоговой подветви; ведутся работы по унифика­ ции сигналов электрической дискретной подветви); параметров

источников питания (в настоящеевремя это реализовано для пневматической и электрической ветви); присоединительных раз­ меров, параметров вспомогательных материалов (диаграммная бумага, реактивы и т. п.).

Развитие работ по созданию и внедрению изделий ГСП, по стандартизации этих изделий уже не удовлетворяет новым задачам и потребностям систем автоматизации. Представляется целесооб­ разным обеспечить построение на агрегатном принципе целых уст­

60

ройств различного функционального назначения с возможностью создания из этих устройств (с учетом требований ГСП) общих си­ стем управления производством и экономикой страны.

§ 8. ОСНОВЫ ВЫБОРА УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЦБП

При выборе средств измерения для контроля и автоматизации технологических параметров в отдельности или в их сочетании не­ обходимо исходить из детального изучения технологического про­ цесса, технических характеристик оборудования и условий его эксплуатации с учетом специфики производства. В результате такого изучения должна быть сформулирована измерительная за­ дача. При формулировке задачи предполагается следующий объем и последовательность исследований.

Во-первых, определяется функциональное назначение средства измерения. Решается, будет ли это измерительное устройство при­ меняться для получения оперативной информации о технологиче­ ском параметре (измерение), или оно предназначено для контроля параметра с целью установления соответствия между его действи­ тельным и заданными значениями (уставками, нормами), либо измерительная информация от средства измерения будет исполь­ зоваться в системе автоматического регулирования или управления.

Во-вторых, определяются метрологические и технические харак­ теристики, на основании которых формулируются требования к измерительным устройствам. На этом этапе:

уточняется измеряемая величина, поскольку в технологических процессах часто измерению подлежит не прямой, а косвенный тех­ нологический параметр;

определяются пределы изменения (измерения, контроля, регу­ лирования) измеряемой величины и значения погрешностей (ос­ новная, динамическая, дополнительные), которые по техническим условиям являются экономически целесообразными (допускае­ мыми) ;

формулируются требования к схемному и конструктивному ис­ полнению узлов и устройств в целом, с учетом современных реко­ мендаций технической эстетики по оформлению собственно средств измерения и щитов контроля и управления.

В-третьих, выявляются эксплуатационные особенности, которые определяют уровень надежности и качества с учетом специфики эксплуатации и конкретной системы обслуживания средств изме­ рения и автоматики.

Решение измерительной задачи зависит от грамотной ее поста­ новки. Сама постановка задачи требует в ряде случаев серьезных научных исследований, особенно при измерении ответственных и специальных технологических характеристик процессов ЦБП.

При определении средств измерения для отдельного участка производства, цеха, комбината после постановки измерительных

61

задач производится, во-первых, выбор непроектируемых элементов, узлов и устройств, который выполняется по справочным пособиям на основе типовых средств измерений и стандартных вспомогатель­ ных устройств. Во-вторых, осуществляется расчет проектируемых узлов, устройств, их частей или их сочетаний.

Каждая конкретная измерительная задача решается поэтапно. Сначала выбираются типовые средства измерений по функцио­ нальному их назначению и принципу действия. Пределы измере­ ния выбранного средства измерения должны соответствовать

заданным.

Затем из числа выбранных измерительных устройств опреде­ ляются такие, которые позволяют реализовать заданные значения допускаемых погрешностей при измерении значения конкретного параметра, в соответствии с классом точности средства измерения, способом назначения класса точности (согласно ГОСТ 13600 — 68) и пределами измерения измерительного устройства.

Если поставленную задачу можно решить несколькими типо­ выми средствами измерения, то из сравниваемых следует отдать предпочтение, во-первых, новейшим, современным (предпочтитель­ ными являются средства измерений системы ГСП). Во-вторых, при выборе следует учитывать особенности средств измерительной тех­ ники и элементов автоматики, используемых в этом производстве с тем, чтобы в наибольшей степени удовлетворить условиям уни­ фикации обслуживания и минимизации запасных частей и прибо­ ров (ЗИП). В-третьих, из оставшихся сравниваемых следует вы­ брать самые надежные, простые, удобные в эксплуатации и деше­ вые элементы.

Для расчета проектируемых средств измерения или их элемен­ тов после постановки измерительной задачи необходимо рассмот­ реть типовые решения данной задачи и составить структурную схему измерительного комплекта. Часть узлов будут иметь, оче­ видно, типовое решение, остальные необходимо спроектировать заново.

При проектировании производят выбор принципа построения и конструктивного исполнения узлов или отдельных измеритель­ ных преобразователей, исходя из заданных погрешностей, условий измерения (наличия дестабилизирующих факторов) и взаимных требований к существующим блокам. Затем осуществляется де­ тальный схемный и конструктивный расчет преобразователей или узлов. При необходимости их макетируют, исследуют эксперимен­ тально и с учетом результатов эксперимента корректируют для получения требуемых метрологических и технических характери­ стик. После этого разрабатываются требования к вспомогательным узлам и окончательно определяется измерительный комплект, ко­ торый сопровождается технической документацией (по системе ЕСКД) для изготовления и испытания опытной партии.

При расчете и выборе отдельных узлов или преобразователей следует обратить особое внимание на правильность определения метрологических характеристик для обеспечения «информационной

62

равнопрочности», т. е. обеспечения одинаковой точности и надеж­ ности отдельных узлов. Любое отклонение от этого правила эко­ номически не оправдано.

Общее представление о принятой системе измерений, контроля и автоматизации технологических процессов участка производства, цеха или комбината дают так называемые принципиальные схемы контроля и автоматизации технологических процессов (участков, цехов, комбинатов). На этих схемах показывается оборудование (в упрощенном изображении, схематично) и размещение всех вы­ бранных или спроектированных измерительных датчиков, первич­ ных и вторичных приборов, сигнализаторов,регуляторов, исполни­ тельных механизмов и органов регулирования. Положение датчи­ ков и приборов по месту указывается ориентировочно, но в тех местах оборудования, где впоследствии их запроектировано уста­ навливать. Вторичные приборы указываются по месту на индиви­ дуальном, групповом или центральном щитах.

Графическое представление таких принципиальных схем должно быть по возможности унифицировано. Изображения датчиков, при­ боров, виды сигналов (системы дистанционных передач), буквен­ ные обозначения функциональных признаков, основных контроли­ руемых и регулируемых величин должны соответствовать ГОСТ 3925—59. Кроме того, оформление схемы и технической докумен­ тации к ней (например, спецификации на контрольно-измеритель­ ные приборы) должны подчиняться правилам единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

УстанЬвка датчиков по месту, в котором производится изме­ рение технологического параметра, должна осуществляться по ин­ дивидуальным правилам установки конкретных датчиков. Эти пра­ вила приводятся в специальных главах настоящего пособия. От правильного монтажа датчиков на оборудовании во многом зави­ сит точность их показаний и надежность их в процессе эксплуа­ тации.

Большинство средств измерения и автоматизации сосредоточи­ ваются на специальных щитах, индивидуальных или групповых, местных или центральных, расположенных в цехах или специаль­ ных помещениях (диспетчерских). По своему назначению щиты делятся на оперативные (основные) и вспомогательные (дополни­ тельные) .

По конструкции щиты выполняют закрытыми (шкафными) или открытыми (панельными). Те и другие могут быть малогабарит­ ными и полногабаритными. Малогабаритные, как правило, яв­ ляются индивидуальными, а полногабаритные изготовляются в ин­ дивидуальном и групповом вариантах.

Правила закрытого или открытого монтажа средств измерений на щитах подчиняются требованиям эксплуатации определенных средств измерений на конкретных производствах. В первую оче­ редь необходимо исходить из условий обеспечения взрыво-, по­ жаробезопасности, исключения воздействия агрессивных средств и технических вибраций (ГОСТ 2405—63 и 8624—64).

63

Глава 3

УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВАХ ДИСТАНЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ.

УНИФИЦИРОВАННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГСП

Дистанционная передача измерительных сигналов согласно структурной схеме рис. 2-1 содержит передающее устройство, ли­ нию связи индивидуальной передачи и приемное устройство.

В качестве передающих устройств используются либо первич­ ные измерительные преобразователи, либо унифицирующие изме­ рительные преобразователи. Их назначение заключается в преоб­ разовании измерительного сигнала, полученного после первичного измерительного преобразователя, в стандартный сигнал ГСП в со­ ответствии с выбранной ее ветвью (или в унифицированный сиг­ нал для конкретной дистанционной системы) с целью передачи его по каналу связи. Передающее устройство может быть конструк­ тивно оформлено в единое целое с первичным измерительным пре­ образователем (датчиком) или отдельным блоком (измерительным преобразователем).

И на приемном и на передающем концах линии передачи могут применяться устройства для преобразования измерительного стан­ дартного сигнала, соответствующего одной ветви ГСП, в сигнал другой ветви. Такие устройства необходимы, когда в системах ис­ пользуются различные виды сигналов (и энергии питания).

Большое количество общих технологических и теплоэнергетиче­ ских величин, а именно: давление, перепад давлений (расход), плотность, уровень, вязкость, температура, скорость вращения и др. легко преобразуются в силу, линейное или угловое перемещение. В системе ГСП для измерения этих величин построены датчики с механической компенсацией измеряемой величины. Датчики со­ стоят из первичного измерительного преобразователя измеряемой величины в силу, угловое или линейное перемещение и унифициро­ ванного измерительного преобразователя силы шли перемещения для преобразования последних в стандартный пневматический или электрический сигнал.

Устройство и характеристики первичных измерительных преоб­ разователей технологических величин в силу или перемещение бу­ дут рассмотрены в соответствующих главах. В данном параграфе ограничимся характеристикой структурных схем и устройств пре­ образователей с уравновешиванием силы или перемещения.

Представляется возможным использование трех типов струк­ турных схем (рис. 3-1).

Схема (рис. 3-1, а), известная под названием компенсации пере­ мещения, имеет на входе первичный измерительный преобразова-

64

тель (ПИП) с выходной величиной в виде перемещения. В ПИП технологическая величина X преобразуется в силу F, а затем в пе­ ремещение Іх или угол поворота срх. Преобразователь перемещения

меряемую величину X, преобразованную в силу Fx (или момент Мх) первичным преобразователем, компенсируют усилием Foc (или мо­ ментом М0мс.), развиваемым в ИП цепью обратной связи. В силу статизма системы полное ра­

(нелинейности, гистерезиса, температурная) непосредственно вой­ дут в погрешность датчика. В схеме с силовой компенсацией пере­ мещения чувствительных упругих элементов, как правило, малы (что определяется статизмом системы), поэтому погрешности эле­ ментов не оказывают заметного влияния на погрешность датчика в целом. В астатической структурной схеме используется ряд допол­ нительных преобразователей, что усложняет конструкцию датчиков.

В связи с этим в датчиках ГСП с силовой компенсацией при­ меняется схема, изображенная на рис. 3-1,6. Другими словами все датчики ГСП имеют конструктивно встроенный уравновешивающий преобразователь силы в стандартный электрический или пневма­ тический сигнал. Эти лее преобразователи выпускаются отдельными блоками и могут быть использованы для перехода от одних физи­ ческих величин к другим (из одной ветви ГСП в другую) с по­ мощью дополнительных измерительных преобразователей. Рассмот­ рим устройство этих преобразователей.

Унифицированный пневмосиловой преобразователь. На рис. 3-2

представлена принципиальная схема пневмосилового преобразова­

65

теля (рис. 3-2,а) и показано его конструктивное исполнение (рис. 3-2, б ). Преобразователь имеет рычажную систему 1, на ко­ торую действует усилие Р, пропорциональное измеряемой вели­ чине. Это усилие уравновешивается через корректор 2 усилием

менного тока. Напряжение подается на вход электронного усили­ теля 6. Выходной сигнал постоянного тока после усилителя поступает в линию дистанционной передачи и в последовательно соединенную обмотку рамки 7 магнитоэлектрического преобразова­ теля 8, который развивает усилие обратной связи P0c= kl (или для ферродинамического преобразователя Poc= kI2), действующее на рычажную систему 1 до тех пор, пока флажок 4 не примет перво­ начального положения. Настройка чувствительности преобразова­ теля производится перемещением корректора 2, что изменяет пере-

66

даточное отношение рычажной системы, а установка нуля — пои

помощи пружины корректора нуля 3, определяющей начальное усилие.

В зависимости от типа усилителя пределы изменения выходного сигнала могут быть: 0—20 мА с полупроводниковым усилителем

УП-20 и 0-5 мА с усилителем УП-20-5, последний состоит из двух конструктивных блоков

УП-20 и копирующего уси­ лителя УК-5. Подключение усилителя к преобразова­ телю осуществляется шести­ жильным кабелем длиной не более 3 м, а экранирован­ ным— до 50 м. Суммарное сопротивление внешней на­ грузки усилителя не должно превышать 1000 Ом для УП-20 и 2500 Ом для УП-20-5. Дальность пере­ дачи составляет 5—10 км.

Унифицированный ча­ стотносиловой преобразова­ тель (рис. 3-4). Он имеет рычаг, на который воздейст­ вует измеряемое усилие Р. Перемещаясь, рычаг натяги­ вает струну 3, являющуюся измерительным преобразо­ вателем силы (перемеще­ ния) в частоту. Частота соб­ ственных поперечных коле­ баний струны равна

Для возбуждения механических колебаний струны и преобразо­ вания их в частоту переменного электрического тока используется магнитоэлектрический обратимый преобразователь, состоящий из струны и постоянного магнита 6. Струна включена в цепь обратной положительной связи, подключенную к электронному усилителю 5.

67

Ток от усилителя, проходя по струне, взаимодействует с полем по­ стоянного магнита и развивает усилие, перемещающее струну. Струна начинает двигаться, и в ней наводится э. д. с. пропорцио­ нальная активной длине струны (длине магнита), скорости ее дви­ жения в магнитном полей магнитной индукции поля. Э.д. с. струны является входным сигналом усилителя 5. Частота переменного элек­ трического тока в контуре этой замкнутой системы, называемой струнным генератором, определяется собственной резонансной ча­

стотой струны, которая пропорциональна Ѵ~Р. Пределы изменения выходного сигнала 1500—2500 Гц. Начальное значение частоты (1500 Гц) устанавливается натяжением струны с помощью пру­ жин 2, а изменение чувствительности достигается установкой опре­

преобразования выходного сигнала наиболее распространенных датчиков (ТС, ТП, pH и др.) в стандартный электрический или пневматический сигнал.

Такими унифицированными преобразователями для датчиков температуры являются, например, преобразователи типа ПТ-ТП-62 и ПТ-ТС-62. Оба эти устройства предназначены для преообразования э. д. с. термопары и сопротивления термометра сопротивления соответственно в стандартный сигнал постоянного тока 0—5 мА.

Преобразователь ПТ-ТП-62 представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной об­ ратной связью. Сопротивление нагрузки усилителя составляет

#вых = 3 кОм. Погрешность преобразования ±0,5%, входное сопро­ тивление усилителя RBX = 50 Ом.

Преобразователь ПТ-ТС-62 имеет измерительный мост, в одно из плеч которого включен датчик термометра электрического со­ противления с сопротивлением линии связи не более 5 Ом. Напря­ жение разбаланса моста усиливается и преобразуется в постоян­ ный ток, изменяющийся от 0 до 5 мА. Сопротивление нагрузки на

в которых получение, передача и прием информации осуществля­ ются устройствами, имеющими различные виды сигналов и энер-

68

гии питания, необходимо предусмотреть различного рода смешан­ ные преобразователи, электропневматические аналоговые, пневмоэлектрические аналоговые и т. д. Эти преобразователи позволяют перейти от одного стандартного сигнала к другому, т. е. связать между собой стандартные ветви ГСП. Рассмотрим электропневма­ тический и пневмоэлектрический аналоговые преобразователи, на­ шедшие наиболее широкое применение в системах измерения и в автоматических системах ЦБП.

Электропневматический преобразователь типа ЭПП-63 (рис. 3-5). Предназначен он для преобразования сигнала постоянного тока О—5 мА в стандартный пневматический сигнал 0,2—1 кг/см2 (0,02—0,1 МПа). Постоянный ток, проходя по катушке 1, укреп­ ленной на основном рычаге 5, и взаимодействуя с магнитным по­ лем 2, создает усилие, перемещающее систему рычагов 5 и 7, соединенных гибкой тягой 8. При этом изменяется зазор между соплом 4, укрепленным на рычаге 5, и заслонкой 3, что вызывает изменение давления в камере А. Нарушается равновесие диффе­ ренциальной мембраны 9 и штоков, жестко связанных с мембраной, открывается клапан 11. Давление в камере Б и в сильфоне обрат­ ной связи 6 изменяется до тех пор, пока система рычагов не при­ дет в первоначальное положение, что будет соответствовать новым значениям перепадов давлений на постоянных дросселях 10 и 12. Выходное давление 0,2—1 кг/см2 передается на расстояние до 300 м, основная допускаемая погрешность не превышает ±1% от диапазона изменения выходного сигнала.

69