Информационные технологии и автоматизация в металлургии. Лабораторный практикум

ционные расходомеры с постоянным магнитом применяются лишь для измерения расходов жидких металлов. Эти расходомеры можно также использовать для измерения расходов жидкости, быстроизме- няющихся во времени, или при кратковременных измерениях, когда поляризация не успевает оказать заметного влияния на результаты измерений.

Наибольшее распространение получили электромагнитные расхо- домеры с переменным, магнитным полем частотой 50 Гц (рис. 3.8, б), в которых не наблюдается поляризации. Однако на показания этих ротаметров влияют различные помехи: паразитные – от внешних ис- точников; электростатические (емкостные) – от сети переменного тока, питающей электромагнит; индукционные (трансформатор- ные) – от магнитного поля чувствительного элемента. Первые два типа помех можно устранить экранированием. Трансформаторные помехи устранить сложнее, так как жидкость и измерительный при- бор образуют замкнутый контур, в котором переменное магнитное поле, как в обмотке трансформатора, наводит э.д.с, не зависящую от скорости потока жидкости. При синусоидальном магнитном потоке Ф = Фmахsinωτ индуцируется полезная э.д.с, вызванная движением жидкости:

Ε = K1Bmaxυcpsinωτ

и э.д.с. помех

Eпом = –dΦ/dτ = K2Bmaxωcosωt,

где K1 и K2 – постоянные коэффициенты.

Из этого уравнения видно, что э.д.с. помех пропорциональна час- тоте переменного тока и сдвинута по фазе относительно полезного сигнала Ε на угол 90°. Поэтому для уменьшения влияния помех ста- раются снизить частоту тока, питающего электромагнит.

Трубопровод 7 расположен между обмотками электромагнита 10 и имеет изнутри изоляционное покрытие 6. Для борьбы с помехами вы- воды одного из электродов 5 соединяются с симметрично располо- женными, проводами, подсоединяемыми к низкоомному потенцио- метру 8. Полезный сигнал снимается проводами 9. Положение движ- ка потенциометра 8 выбирается так, чтобы потенциалы двух прово- дов 9 были равны между собой, когда жидкость в трубопроводе 7 не движется. Этим устраняется влияние на измерительный сигнал трансформаторной э.д.с. помех на входе измерительного блока, под-

51

ключенного к проводникам 9. Измерительный блок представляет со- бой двухкаскадный усилитель напряжения и имеет унифицированный по ГСП выходной сигнал 0...5 мА постоянного тока. Серийно выпус- каются электромагнитные расходомеры типа 3-РИ, а также расходо- меры с отрицательной обратной связью ИР-1, 4-РИ с основной по- грешностью 0,5...1,5 %. Диапазон измерения составляет 1...2500 м3/ч и более в трубопроводах с внутренним диаметром от 3 мм до 1 м при линейной скорости движения жидкости от 0,6 до 10 м/с. К преимуще- ствам индукционных расходомеров относятся: малые потери давле- ния; безынерционность показаний, что особенно важно для систем автоматического регулирования; независимость показаний от вязко- сти, плотности и характера потока измеряемой жидкости, а также от наличия в нем взвешенных частиц и пузырьков газа.

Скоростные и объемные датчики расхода (турбинные и ротаци-

онные расходомеры) применяются для измерения расхода как вяз- ких, так и невязких жидкостей и газов. Их недостаток – влияние на точность измерения пульсаций измеряемых сред, а на надежность устройств – наличие в потоке движущихся частей.

Упрощенная схема современного скоростного счетчика с винто- вой вертушкой и с бесконтактным преобразователем скорости вра- щения в электрические импульсы приведена на рис. 3.9. Преобразо- ватель состоит из постоянного магнита NS с обмотками. При враще- нии вертушки, выполненной из материала с хорошей магнитной проницаемостью, вследствие изменения проводимости возникают пульсации магнитного поля, которые вызывают в обмотках э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения вертушки. Эта час- тота измеряется частотомерами или счетчиками оборотов, градуиро- ванными в единицах количества или расхода.

Такие счетчики могут использоваться как для измерения малых (до 0,015 м3/ч), так и больших расходов жидкостей (до 2500 м3/ч). Погрешность показаний составляет 0,2...0,5 %. В счетчиках с крыль- чатой вертушкой жидкость подается тангенциально к лопастям вер- тушки либо одной струей, либо несколькими струями. Погрешность этих счетчиков составляет 2...5 %.

Объемные счетчики применяют для измерения количества жидко- стей (в том числе вязких) и газов. Простейшим объемным счетчиком является счетчик поршневого типа МП (рис. 3.10, а). В вертикальном цилиндре 1 под действием напора поступающей жидкости перемеща- ется поршень 2. В крайних положениях поршня переключается четы- рехходовый кран 3, изменяющий направление движения жидкости.

52

счетному механизму с помощью магнитной муфты. Такие счетчики применяются для измерения количества вязких жидкостей (до 60 сст). Диапазон измерения в зависимости от вязкости составляет 6...60 м3/ч, основная погрешность не превышает 0,5 %.

Массовые расходомеры измеряют расход пульпы и сыпучих ма- териалов в потоке независимо от параметров измеряемой среды. Их недостатком является сложность конструкции, а наличие в потоке вращающихся дисков снижает ее надежность.

Индукционные и ультразвуковые расходомеры не обладают этим недостатком. Они используются для расхода воды и вязких пульп.

Скорость распространения ультразвука в движущейся среде опре- деляется суммой собственной скорости ультразвука в этой среде и средней скорости движения измеряемой среды. Если колебания рас- пространяются в направлении движения потока, то они тем быстрее достигают заданной точки, чем больше скорость потока υ.

Для измерения расхода используются два метода. Первый – осно- ван на измерении разности фазовых сдвигов ультразвуковых колеба- ний, распространяющихся по направлению и против направления потока. Такие приборы называются фазовыми расходомерами. Вто- рой метод заключается в измерении разности частот повторения им- пульсов ультразвуковых колебаний, совпадающих по направлению с потоком и направленных против него. Эти приборы называются час- тотными расходомерами.

Рассмотрим фазовые ультразвуковые расходомеры. Время прохо- ждения ультразвуковых колебаний между излучателем и приемни- ком L по направлению потока равно:

где υy – скорость ультразвука в данной среде.

При распространении колебаний против потока:

В фазовых расходомерах измеряется разность времени Δτ = τ2 – τ1 = 2Lυ / υ2y . Принципиальная схема такого расходомера показана на

рис. 3.11. Генератор Г непрерывно подает на излучающие пьезоэле-

54

менты И1 и И2 синусоидальные электрические колебания с частотой 1 МГц и амплитудой около 20 В, которые преобразуются в ультра- звуковые колебания. Последние проходят через поток жидкости и поступают на соответствующие приемные пьезоэлементы Пх и П2, образуя в них синусоидальные напряжения, разность фаз между ко- торыми пропорциональна скорости потока. Каждый из пьезоэлемен- тов П1 и П2 через свой усилитель У2 и У2 подает сигнал на фазовый детектор ФД, в котором оба сравниваемых по фазе напряжения сум- мируются на общем нагрузочном резисторе. Суммарное напряжение U на нем зависит от сдвига фаз Δφ между колебаниями, прошедшими по потоку и против него:

U = 2U0 cos ϕ , 2

где U0 – амплитуда сравниваемых напряжений.

Рис. 3.11. Принципиальная схема фазового ультразвукового расходомера

В свою очередь сдвиг фаз Δφ пропорционален разности времени Δτ = 2Lυcosθ/υy2, где υcosθ – составляющая скорости потока в на- правлении движения ультразвуковых колебаний.

Напряжение фазового детектора U преобразуется далее в стан- дартный сигнал и подается на вторичный прибор ВП. Существенный недостаток рассмотренного фазового двухканального ультразвуково- го расходомера состоит в том, что на его показания оказывает влия- ние скорость распространения ультразвука в контролируемой среде.

55

Этот недостаток устраняется в частотно-импульсных двухканаль- ных расходомерах, принцип действия которых основан на измерении разности частот повторения импульсов, направляемых одновременно по двум измерительным каналам по потоку жидкости и против него. При неподвижной жидкости (υср = 0) время прохождения ультразвука от излучателя до приемника Τ = L/υy. При движении жидкости (υcp ≠ 0) время прохождения ультразвука по потоку жидкости

T1 = L/(υy + υcosθ), а против потока – Т2 = L/(υy – υcosθ), где υcos θ – составляющая скорости потока в направлении ультразвуковых коле- баний. С помощью модуляторов T1 и Т2 преобразуются в частоты по- вторения импульсов. При совпадении направления ультразвука с на- правлением потока в первом канале частота повторения импульсов f1 = 10Τχ, а во втором канале излучения – f2 = 11Т2. Тогда разность частот f = f1 – f2 = 2υcosθ/L.

Разность частот f фиксируется измерительной схемой расходо- мера и служит мерой скорости контролируемой жидкости υ. Таким образом, скорость распространения ультразвука в измеряемой среде не сказывается на показаниях этих приборов. Диапазон измерения расхода ультразвуковыми расходомерами составляет 1...100 м3/ч. По- грешность измерения равняется ±2,5 %. Возможно измерение расхо- да любых жидкостей как электропроводных, так и неэлектропровод- ных, в том числе агрессивных и вязких.

3.3. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд для выполнения работы (рис. 3.12) состоит из ВК1 – выключатель, предназначен для включения/отключения лабораторного стенда к напряжению сети ~220 В; компрессора высо- кого давления с ресивером; датчика давления P1, измеряющего дав- ление в ресивере; ручного клапана К1; датчика давления Р2, с элек- тронным устройством отображения информации и выходом 40...20 мА; электрического регулирующего клапана КР1; датчика расхода воздуха Q1, с электронным устройством отображения ин- формации и выходом 40...20 мА; БП – блока питания постоянного тока 24 В; тумблера ВК2 ручного включения/выключения электриче- ского регулирующего клапана КР1; микроконтроллера МК1 с анало- говыми входом и выходом 4...20 мА и дискретным выходом 24 В, для дистанционного включения/выключения электрического регули- рующего клапана КР1; ЭВМ, предназначена для связи с контролле-

56

ром, отображения на дисплее и архивирования данных, формирова- ния уставок на регулятор.

Рис. 3.12. Схема лабораторного стенда

3.4.Порядок проведения работы

1.Выключателем ВК1 включить лабораторный стенд.

2.Дождаться заполнения ресивера (автоматического отключения двигателя компрессора), поворотом движка, на 1 % открыть ручной клапан К1.

3.По индикатору датчика давления Р2 дождаться стабилизации давления в трубопроводе высокого давления.

4.Тумблером ВК2 подать напряжение 24 В на клапан КР1, тем самым открыв его. При этом по индикаторам клапана КР1 и датчика расхода Q1, (с шагом 1 сек), либо на экране ЭВМ (с шагом 0,1 сек) снимать изменение значений давления и расхода воздуха в трубо- проводе высокого давления во времени, до тех пор, пока значения параметров не стабилизируются.

5.Тумблером ВК2 убрать напряжение 24 В с клапана КР1, тем самым закрыв его. При этом по индикаторам клапана КР1 и датчика расхода Q1, (с шагом 1 сек), либо на экране ЭВМ (с шагом 0,1 сек)

57

снимать изменение значений давления и расхода воздуха в трубо- проводе высокого давления во времени, до тех пор, пока значения параметров не стабилизируются.

6.Поворотом движка, закрыть ручной клапан К1.

7.Выключателем ВК2 выключить лабораторный стенд.

3.5. Отчет по работе

Каждый студент составляет отчет о проделанной работе объемом 4–5 стр., который должен содержать следующие материалы:

1.Краткое изложение теории.

2.Схему и описание лабораторной установки.

3.Краткое описание методики проведения лабораторной работы.

4.Экспериментальные данные в табличном и графическом виде.

5.Выводы о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается блочно-модульный принцип построения из- делий ГСП?

2.Что означает термин «унификация»?

3.Исполнения изделий ГСП по защищенности от воздействия ок- ружающей среды.

4.Исполнения изделий ГСП в зависимости от предполагаемых механических воздействий.

5.Виды приборов измерения давления?

6.Виды деформационных чувствительных элементов

7.Принцип действия расходомера переменного перепада давления?

8.Принцип действия скоростного датчика расхода?

9.Принцип действия объемных счетчиков?

10.Формула разности времени в фазовых расходомерах?

11.Принцип действия частотно-импульсных двухканальных рас- ходомеров?

58

Лабораторная работа №4 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

4.1. Цель работы

Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки работы с типовыми исполнительными механизмами и усилителями.

4.2. Теоретическая часть

Все современные технические средства автоматизации являются элементами Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), которая составляет техническую ос- нову для реализации информационно-управляющих систем метал- лургических производств.

Государственная система промышленных приборов и средств ав- томатизации основана на стандартных внутренних и внешних связях, рациональной структуре и конструктивных формах в модульно- блочном построении ее функциональных устройств и предусматрива- ет их агрегатирование в комплексах измерительной, вычислительной, аналитической и других видов техники для построения систем ин- формации, контроля, регулирования и управления. Общие принципы построения ГСП и ее состав определены в результате исследования АСУ ТП в различных отраслях промышленности и их декомпозиции в функциональном и аппаратном планах. В функциональном плане декомпозиция общей цели управления, стоящей перед АСУ ТП в це- лом, приводит к типовым функциональным подсистемам (рис. 4.1).

Цели управления, стоящие перед типовыми функциональными подсистемами, в отличие от общей цели управления достаточно про- сты и допускают почти строгую формализацию. Формализация целей управления позволяет, в свою очередь, формализовать функциональ- ный синтез этих подсистем, т.е. разработать типовой набор функций для каждой подсистемы управления, обеспечивающий максималь- ную эффективность управления.

Одним из звеньев системы автоматического регулирования (САР) является исполнительное устройство. Его назначение – изменять регу- лирующее воздействие в соответствии с сигналом, подаваемым на его вход от регулирующего прибора. Наиболее распространенными явля- ются электрические исполнительные устройства постоянной скорости. Блок-схема одного из таких устройств представлена на рис. 4.2.

59