Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
Эталонные приборы служат для воспроизведения и хранения
единиц измерений с наивысшей точностью, а также для поверки образцовых приборов.
Поверка – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.
Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Класс
точности рабочего эталона должен быть выше класса точности
поверяемого прибора не менее, чем в 5 раз. Допускается использовать рабочий эталон с классом точности в 3 раза выше класса
точности поверяемого прибора при условии введения поправок в показания рабочего эталона.
Градуировка - это операция при помощи которой делениям
шкалы прибора придают значение выраженное в установленных единицах измерения.
Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины называется чувствительностью прибора.
Одной из важных характеристик средств измерений является
надежность. Под надежностью понимают свойство элемента, прибора и т. д. выполнять требуемые функции при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. В статистических терминах, это вероятность того, что устройство будет работать без поломок в течение указанного промежутка времени или
заданного количества циклов.
15. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ
Государственная система промышленных приборов и средств
автоматизации (ГСП) создана с целью обеспечения техническими
средствами систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.
На ранних этапах создания средств автоматики разрабатывалось множество различных приборов со сходными техническими характеристиками, однако при этом не учитывалась возможность со-
141
вместной работы приборов различных производителей. Это приводило к увеличению стоимости разработок сложных систем и тормозило
широкое внедрение средств автоматизации. Поэтому в 1960 г. было
принято решение о создании ГСП, а с 1961 г. начались работы по ее
реализации.
Одна из главнейших задач, решаемых ГСП, состоит в создании
ограниченной номенклатуры унифицированных устройств, способных максимально удовлетворять потребности различных отраслей
промышленности.
Сокращение номенклатуры средств автоматизации достигается
объединением их в отдельные функциональные группы, путем сведения функций этих устройств к ограниченному числу типовых функций. Оптимизация состава каждой группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий.
В основу параметрического ряда заложена более узкая специализация выполняемых функций, ограничения по видам и параметрам
сигналов, ограничения по техническим параметрам изделий, пределам измерений, классам точности, параметрам питания и т.д. и, наконец, унификация конструктивного исполнения изделий.
В основу создания и совершенствования ГСП положены следующие системотехнические принципы:
- типизация и минимизация многообразия функций автомати-
ческого контроля, регулирования и управления;
- минимизация номенклатуры технических средств;
- унификация используемой вспомогательной энергии;
- блочно-модульное построение приборов и устройств;
- совместимость приборов и устройств.
По типизации и функциональному признаку все изделия
ГСП разделены на следующие четыре группы устройств:
- устройства получения информации о состоянии процесса или
объекта;
- устройства приема, преобразования и передачи информации
по каналам связи;
- устройства преобразования, хранения и обработки информа-
ции, формирования команд управления;
- устройства использования командной информации.
142
В первую группу устройств в зависимости от способа представления информации входят: датчики; нормирующие преобразователи,
формирующие унифицированный сигнал связи; приборы, обеспечивающие представление измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и устройства
алфавитно-цифровой информации, вводимой оператором вручную.
Вторая группа устройств содержит коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, средства телесигнализации, телеизмерения и телеуправления. Эти устройства используют для преобразования как измерительных, так и управляющих сигналов.
Третью группу составляют анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства и
устройства памяти, задатчики, регуляторы, управляющие вычислительные устройства и комплексы.
В четвертую группу входят исполнительные устройства (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные
исполнительные механизмы), усилители мощности, вспомогательные
устройства к ним, а также устройства представления информации.
Минимизация номенклатуры технических средств реализуется на основе двух принципов: унификации устройств одного функционального назначения на основе параметрического ряда этих изделий и агрегатирования комплекса технических средств для решения
крупных функциональных задач.
Под параметрическим рядом понимается физический параметр
химико-технологического процесса: температура, давление, расход,
уровень и т.д.
Агрегатные комплексы (АК) представляют собой совокупность
технических средств, организованных в виде функциональнопараметрических рядов, охватывающих требуемые диапазоны измерения в различных условиях эксплуатации и обеспечивающих выполнение всех функций в пределах заданного класса задач.
В номенклатуре технических средств широко используется
такой классификационный признак как тип изделия - совокуп-
143
ность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и
имеющих одинаковые главные параметры. В состав одного типа
может входить несколько типоразмеров и модификаций или исполнений изделия.
Типоразмеры изделия одного типа различаются значениями
главного параметра (для однофункциональных изделий).
Модификация - совокупность изделий одного типа, имеющих
определенные конструкционные особенности или определенное значение неглавного параметра.
Под исполнением обычно понимают изделия одного типа,
имеющие определенные конструктивные особенности, влияющие на
их эксплуатационные характеристики, например пожаровзрывобезопасное или морское.
По роду используемой вспомогательной энергии носителя
информационных сигналов устройства ГСП делятся на электрические, пневматические, гидравлические, а также устройства, работающие без использования вспомогательной энергии - приборы и регуляторы прямого действия.
Устройства, питающиеся при эксплуатации энергией одного
рода, образуют структурную группу или ветвь ГСП.
Достоинства электрических приборов: высокая чувствительность, точность, быстродействие, удобство передачи, хранения и обработки информации. Пневматические приборы обеспечивают повышенную безопасность при применении в легко воспламеняемых и
взрывоопасных средах, высокую надежность в тяжелых условиях работы и агрессивной атмосфере. Однако они уступают электронным
приборам по быстродействию, возможности передачи сигнала на
большое расстояние. Гидравлические приборы позволяют получать
точные перемещения исполнительных механизмов и большие усилия.
Унифицированный сигнал (УС) ГСП – это сигнал дистанцион-
ной передачи информации с унифицированными параметрами, обеспечивающий информационное сопряжение между блоками, приборами и установками ГСП.
Унификация означает введение ограничений, налагаемых на
сигналы, несущие сведения о контролируемой величине или команде.
144
Под унифицированным параметром УС ГСП понимается тот
его параметр, который является носителем информации: значение
постоянного или переменного тока или напряжения, или частоты,
код, давление воздуха пневматического сигнала.
В зависимости от вида унифицированных параметров в ГСП
применяют унифицированные сигналы четырех групп:
1) пневматические;
2) тока и напряжения электрические непрерывные;
3) частотные электрические непрерывные;
4) электрические кодированные.
Каждая группа УС ГСП определяется соответствующим государственным стандартом.
Стандартами установлены следующие диапазоны изменения
унифицированных аналоговых сигналов:
1. Пневматические:
- диапазон изменения сигнала 0,02 ÷ 0,1 МПа (0,2÷ 1
кгс/см2);
- сигнал питания 0,14 МПа;
- расстояние передачи сигнала до 300 м.
2. Электрические:
- диапазон изменения сигналов постоянного тока: 0 ÷ 5 мА, 0 ÷
20 мА, 4 ÷ 20 мА, 0 ÷100 мА и др.;
- диапазон изменения сигналов постоянного напряжения: 0÷ 10
мВ, 0 ÷ 20 мВ, -10 ÷ 10 мВ, 0 ÷ 1 В, 0 ÷ 10 В, -1 ÷ 1 В и др.
- диапазон изменения сигналов переменного напряжения:
0 ÷ 1 В, 0 ÷ 2 В, 0 ÷ 10 В и др.;
- диапазон изменения сигналов переменного тока на частоте: 2
÷ 4 кГц, 4 ÷ 8 кГц и др.;
- питание электрических приборов : 5 В, 12 В, 24 В, 36 В, 220
В, 380 В и др.
Расстояние передачи электрического сигнала зависит от вида и
мощности электрического сигнала.
Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую
функцию, что обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более про-
145
стых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и
стыковки. Это позволяет создавать новые АСУ из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет использовать при их создании рациональный
минимум конструктивных элементов (сокращается количество наименований деталей). Вместе с тем возможность простой и легкой
замены отдельных узлов позволяет модернизировать эти приборы в
процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг решаемых ими задач (путем различных сочетаний функциональных звеньев и введением специализированных деталей),
уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости приборов и средств автоматизации. Блочно-модульное построение приборов позволяет широко применять при их изготовлении современную технологию и максимально использовать кооперацию и специализацию предприятий.
Существенное сокращение числа функциональных различных
устройств достигается обеспечением их совместимости в автоматизированных системах управления. Концепция совместимости, включающая в себя требования информационного, энергетического, конструктивного, метрологического, эксплуатационного сопряжений
между изделиями ГСП, основана на последовательной унификации и
стандартизации свойств и характеристик приборов.
16. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Первым в измерительной цепи выходного параметра объекта
управления стоит первичный преобразователь.
Первичные преобразователи (датчики) – устройства предназначены для непосредственного преобразования измеряемой физической величины в другую величину, удобную для дальнейшего использования и передачи на расстояние (унифицированный сигнал).
Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для
приведения его к стандартному диапазону используется дополнительно ещё соответствующий преобразователь.
По виду выходного сигнала все датчики делятся на генератор-
ные, параметрические и механические.
146
Генераторные датчики (активные) осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию под действием измеряемой величины
(термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические,
гальванические и др. датчики).
В табл. 3 приведены примеры некоторых физических эффектов,
которые используются для построения генераторных датчиков.
Таблица 3
Измеряемая
величина
Поток оптического
излучения
Сила, ускорение Пьезоэлектрический эффект Заряд
Скорость Электромагнитная индукция Напряжение
Перемещение Эффект Холла Напряжение
Внешний фотоэффект
Внутренний фотоэффект
Используемый
эффект
Выходная
величина
Ток
Напряжение
Внешний фотоэффект заключается в том, что под действием
светового потока электроны покидают фотокатод и образуют ток,
пропорциональный освещенности.
Внутренний фотоэффект в полупроводнике заключается в том,
что под действием светового потока электроны и дырки, освобожденные в окрестностях освещенного p-n - перехода, перемещаясь под
действием электрического поля, вызывают изменение напряжения на
границах полупроводника.
Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при деформации пьезоэлектрика появляются заряды на противолежащих
поверхностях (рис. 74).
Рис. 74. Пьезоэлектрический эффект
147
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при
изменении магнитного потока через замкнутый контур, в нем наводится ЭДС e = -С·dФ/dt (рис. 75), пропорциональная скорости
вращения ω.
Рис. 75. Электромагнитная индукция
Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока
через образец полупроводника, находящийся в магнитном поле, в
перпендикулярном направлении возникает ЭДС U=k∙I∙B∙sinθ
(рис. 76).
Рис. 76. Эффект Холла
При перемещении постоянного магнита изменяется индукция B
и, следовательно, выходное напряжение датчика. Таким образом
можно измерять перемещение.
Параметрические датчики (пассивные) изменяют некоторые
параметры выходного импеданса (комплексного сопротивления) под
воздействием измеряемой величины. К ним относятся реостатные,
тензодатчики, термосопротивления и т. п. Им для работы необходим
дополнительный источник энергии. В табл. 4 указан ряд физических
эффектов, используемых для построения параметрических датчиков.
Импеданс параметрического датчика и его изменения можно
измерить, включив датчик в специальную электрическую схему, содержащую дополнительный источник питания и схему формирования сигнала.
148
Таблица 4
Измеряемая
величина
Температура Сопротивление Металлы, полупроводники
Поток оптического
излучения
Деформация
Перемещение
Влажность
Уровень
Изменяющийся
параметр
Сопротивление Полупроводники
Сопротивление Сплавы никеля,
легированный кремний
Магнитная
проницаемость,
сопротивление
Сопротивление
Диэлектрическая
проницаемость
Диэлектрическая
проницаемость
Ферромагнитные сплавы,
магниторезистивные металлы:
висмут, антимонид индия
Хлористый литий,
окись алюминия, полимеры
Жидкие изоляционные
материалы
Материалы
У механических датчиков выходным сигналом является уси-
лие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.).
При измерениях некоторых физических величин не всегда удается преобразовать их сразу в электрическую величину. В этом случае измеряемую величину преобразуют в промежуточную неэлектрическую величину, которую затем преобразуют в электрическую. Совокупность двух измерительных преобразователей образует комбинированный датчик (рис. 77).
Рис 77. Комбинационный датчик
149
Например в комбинированном датчике давления, первичным
2
преобразователем служит мембрана, деформация которой преобразуется в электрическую величину датчиком, реагирующим на механическое смещение (прогиб мембраны).
17. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Физическая величина – одно из свойств физического объекта,
(системы, процесса) общее в качественном отношении для многих
физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
К основным физическим величинам характеризующим большинство химико-технологических процессов относят: температуру,
давление, расход, количество, уровень, влажность, состав, плотность,
вязкость, частоту вращения.
17.1. Методы и приборы измерения температуры
Из всех физических величин наиболее часто измеряемой является температура. Температура в термодинамике наряду с давлением
и объемом является одной из трех основных величин, характеризующих состояние вещества.
Известно, что зависимость между средней кинетической энергией поступательного движения молекул и количеством переданного
телу тепла для простейших веществ (идеальных газов)
описывается выражением TkE ⋅⋅=
3
, где k - постоянная Больцмана;
T - абсолютная температура. Отсюда вытекает определение температуры.
Температура - физическая величина, характеризующая степень
нагретости тела, которая определяется внутренней кинетической
энергией теплового движения молекул.
Температуру можно измерять только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств
тел, которые поддаются непосредственному измерению. Применяе-
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]