Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
7.1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ
7.1.1. СПОСОБ ПО «ТОЧКЕ РОСЫ»
Способ основан на явлении конденсации влаги из газовой фазы
при её охлаждении до определённой температуры. «Точкой росы» при
данном давлении называется температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу.
На диаграмме, приведённой на рис. 7.1, представлено максимальное содержан
ие водяного пара в воздухе на уровне моря в зависимости
от температуры. Чем выше температура, тем выше равновесное парци-
альное давление пара.
Рис. 7.1. Диаграмма «точки росы»
141
«Точка росы» определяется относительной влажностью воздуха.
T
Чем выше относительная влажность, тем «точка росы» выше и ближе
к фактической температуре воздуха. Чем ниже относительная влажность, тем «точка росы» ниже фактической температуры. Если относительная влажность составляет 100%, то «точка росы» совпадает с фактической температурой.
Формула для приблизительного расчёта «точки росы» в градусах
Цельсия:
T
где
– точка росы; a = 17,27; b = 237,7 °C; ;ln),( RH
T
р
γ
=
р
γ−
,
),(
RHTa
RHT +
aT
=γ
b
+
),(
RHTb
T – температура в градусах Цельсия; RH – относительная влажность
в объёмных долях (0 < RH < 1,0), ln – натуральный логарифм.
Формула обладает погрешностью ±0,4 °C в следующем диапазоне
значений:
0 < T < 60;
0,01 < RH < 1,0;
0 <
T < 50.
р
Значения «точки росы» в градусах цельсия для ряда ситуаций определяют с помощью пращевого психрометра и специальных таблиц.
Сначала определяют температуру воздуха, затем влажность, температуру подложки и с помощью таблицы «Точки росы» определяют температуру, при которой не рекомендуется наносить покрытия на поверхность.
Если затруднительно найти эти показания на пращевом психр
ометре, то необходимо найти один показатель на одно деление выше по
обеим шкалам, как относительной влажности, так и температуры,
а другой показатель соответственно на одно деление ниже и интерполировать необходимое значение между ними. Стандарт ISO 8502-4
используется для определения относительной влажности и «точки
росы» на стальной поверхности, подготовленной для окраски.
писания данного способа понятно, что использовать его в та-
Из о
ком виде для построения АСУ в техническом исполнении практически
невозможно. Для построения АСУ используется модификация этого
способа, которую можно назвать психрометрическим способом.
142
7.1.2. ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ
Этот способ основан на эффекте понижения температуры тела
при испарении с его поверхности влаги.
Простейший психрометр состоит из двух независимых термодатчиков, один из которых используется как сухой термометр, а другой –
как влажный. Влажный термодатчик обёрнут хлопчатобумажной тканью, которая находится в сосуде с водой. Благодаря протекающему
воздушному потоку и, вследствие эт
ого, испарению, поверхность увлажнённого термодатчика охлаждается. Одновременно измеряется
температура окружающего воздуха с помощью второго термодатчика
(температура сухого термометра). Полученная таким образом разность
температур является мерой относительной влажности – количества
влаги, находящейся в воздухе относительно максимально возможного
при данной температуре.
Самый простой комнатный психрометр состоит из двух спиртовых
термометров, один из ко
торых имеет устройство увлажнения (рис. 7.2).
В конструкции прибора обычно включается таблица для чтения показаний – психрометрическая таблица, позволяющая, зная температуру
каждого из термометров, найти относительную влажность воздуха.
На практике для поиска по таблице необходимо знать показания мокрого термометра и разницу показаний сухого и
мокрого термометров.
При построении автоматизированных сис-
равления в качестве сухого и влажного
тем уп
термометров используются два термометра сопротивления (как правило, платиновой группы).
В комплекте с ними используется микропроцессорный регулятор, имеющий дифференциальный вход – для подключения одновременно двух
датчиков и снятия разницы показаний.
Из предлагаемых промышленностью регуляторов примером может служить МПР-51,
изготавливаемый фирмой «ОВЕН».
Следует отме
тить, что данный способ наиболее легко реализуем при проведении большинства технологических процессов в газовых
фазах. Кроме того, он обеспечивает достаточно
высокую точность управления (позволяет измерять влагосодержание в газовых фазах с точностью до 3%). Поэтому схемы автоматизации,
использующие данный способ, применяются в
промышленности наиболее часто.
Рис. 7.2. Психрометр
143
7.1.3. СПОСОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ИНФРАКРАСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Метод основан на свойстве протонов поглощать и рассеивать инфракрасное излучение. Конструктивно датчик состоит из камеры,
в которой находится контролируемая газовая смесь, инфракрасного
излучателя и инфракрасного датчика. Чем меньше коэффициент прохождения ИК-излучения, тем выше влагосодержание исследуемой газовой смеси.
7.1.4. ГИДРОФИЛЬНЫЕ МЕТОДЫ (ВЛАГОПОГЛОТИТЕЛЬНЫЕ)
Поглотительный метод заключается в поглощении водяного пара
из потока анализируемого газа гидрофильным веществом и изменении
физических свойств вещества. Гидрофильным веществом в чувствительном элементе первичного преобразователя является раствор хлористого лития, нанесённый на триацетатную плёнку. При изменении
влажности и температуры контролируемой среды меняется электрическая проводимость чувствительного элемента.
Гигрометр состоит из пер
вичного преобразователя влажности или
первичного преобразователя влажности и температуры и контрольноизмерительного прибора, измеряющего проводимость системы.
Выходной сигнал первичного преобразователя может преобразовываться в унифицированный токовый или потенциальный сигнал.
Гигрометр сорбционного типа может быть укомплектован чувствительным элементом с гидрофильным веществом на основе солевых
композиций (хлористого натрия и др.), нанесённым на влаг
осорбирующую плёнку. Электрическая проводимость плёнки, помещённой
между двумя электродами, зависит от влажности контролируемой среды и является мерой относительной влажности (кондуктометрический
способ).
Действие пьезосорбционных гигрометров основано на измерении
резонансной частоты колебаний пьезосорбционного чувствительного
элемента, покрытого плёнкой сорбента. Изменение относительной
влажности вызывает изменение массы сорбента и пропорциональное
изменение частоты колебаний пьезо
элемента.
Действие кулонометрических гигрометров основано на непрерывном поглощении влаги из контролируемого газового потока плёнкой гидрофильного вещества (фосфорного ангидрида) и одновременном разложении воды на водород и кислород в толще плёнки путём
электролиза. В установившемся режиме значения силы тока электролиза служат мерой влажности анализируемого газа.
144
Чувствительный элемент представляет собой два платиновых
электрода, между которыми расположена плёнка фосфорного
ангидрида.
Кроме вышеописанных для контроля влагосодержания в газовых
средах могут быть использованы и другие, иногда весьма экзотические
способы и методы (например, с использованием в качестве чувствительного элемента конского волоса). Но такие способы достаточно
редко используются при построении АСУ и по
этому в данном курсе
не рассматриваются.
7.2. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ
В ТВЁРДЫХ, СЫПУЧИХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВАХ
7.2.1. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
ВЛАЖНОСТИ
Широкое распространение метода определения влажности путём
измерения электропроводности контролируемой среды обусловлено
конструктивной простотой и низкой стоимостью аппаратуры, позволяющей осуществлять измерения непрерывно и практически безынерционно. Логарифмическая зависимость электрической проводимости
среды от влажности несколько затрудняет построение шкалы влагомера, но одновременно снижает ошибку измерения, вызываемую колебаниями количества, содержащегося в материале электролита.
Диапазон измер
ения определяется областью гигроскопичности
материалов, не проводящих ток в сухом состоянии. Метод неприменим для измерения влагосодержания очень сухих материалов (так как
при этом необходимо применять измерительные ячейки с очень большим измерительным сопротивлением), а также для определения содержания влаги во влажных материалах вследствие больших ошибок
из-за выс
окого содержания в них электролита. Данный метод позволяет измерять влагосодержание в диапазоне от 5 до 45%. При этом следует учитывать, что в диапазоне от 3 до 7% вещества ведут себя как
диэлектрики; от 5 до 20% – как неоднородные проводники и полупроводники; от 25 до 45% – как проводники. Данный способ позволяет
проводить измерения с точностью до 5%.
Так же как пр
и выборе метода измерения влажности воздуха оценивается возможность использования дешевого и надёжного измерителя – LiCl-гигрометра, так и при выборе прибора для непрерывного
измерения влажности материалов следует рассмотреть возможность
применения кондуктометрического влагомера.
145
7.2.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Значительное распространение получили диэлектрические методы измерения влажности, дополняющие, но не заменяющие электрокондуктометрические методы. В отличие от последних эти методы
требуют значительно больших аппаратурных затрат, позволяют измерять влагосодержание жидкостей, очень сухих и очень влажных материалов, обеспечивают индикацию жидкости в изолированных снаружи
полостях и выдают сигнал, пропорциональный усреднённому влагосо-
жанию, в то время как электрокондуктометрический метод обеспе-
дер
чивает индикацию только местных включений влаги. Большое влияние
на результат измерения влажности этим методом оказывает плотность
материала. По физической сущности и диэлектрическому методу измерения влажности примыкают методы, основанные на применении
ультразвука, использующие более высокие частоты и излучатель УЗколебаний вместо измерительного конденсатора.
2.3. МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
7.
Этот способ сочетает в себе достоинства всех предыдущих, так
как используются сразу все диапазоны измерения, что позволяет исключить влияние собственной проводимости материала и других факторов, вносящих погрешность. Данный метод позволяет измерять влагосодержание в диапазоне от 2 до 75% с точностью до 0,5%.
7.2.4. СПОСОБЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОЧАСТОТНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Инфракрасный метод. При описании инфракрасных гигрометров
уже отмечалась возможность использования характерных линий поглощения воды при измерении влажности воздуха. Этот метод применим также и при измерении влажности материалов. При определении
влагосодержания жидкостей измеряется поглощение полос 1,47 или
1,94 мкм в проходящем свете; при измерении влажности материалов
применяется метод измерения отражаемого его по
верхностью излучения, позволяющий определять влагосодержание только поверхностного слоя. Этот недостаток устраняется при измерении влажности сыпучих материалов путём разрыхления пробы непосредственно перед
входом измерительной ячейки.
К достоинствам этого бесконтактного метода определения влажности относятся высокая селективность по отношению к воде, незначительное влияние температуры, плотности и состава пробы на результат измер
ения; к недостаткам – влияние распределения влаги
в различных по толщине слоях материала, в зёрнах разного размера.
146
7.2.5. НЕЙТРОННЫЙ МЕТОД
Нейтронные лучи сильно тормозятся лёгкими атомами водорода и
беспрепятственно проходят через элементы с большим атомным номером. Это явление в течение многих лет используется для определения
влагосодержания в больших скоплениях материалов, преимущественно песка, строительных материалов, шлака, а также бурого угля.
Источник нейтронного излучения, содержащий долгоживущий
препарат, совместно со счётчиком медленных н
ейтронов помещается
в измерительный зонд, погружаемый в контролируемый материал.
В зависимости от влагосодержания, а точнее от содержания водородных атомов в материале, большая или меньшая часть получаемых быстрых нейтронов рассеивается и тормозится. Газоразрядный или сцинтилляционный счётчик воспринимает представительную часть образующихся таким образом медленных нейтронов и формирует сигнал
(в виде п
оследовательности импульсов с постоянной времени около
милисекунд), являющийся мерой объёмного влагосодержания материала. При этом целесообразно интегрирование измерительного сигнала по всему контролируемому объёму материала. Для измерения
влажности грунта при строительных работах данный метод считается
стандартным. Метод неприменим для измерений влажности материалов, содержащих изменяющееся количество связанного водорода.
Следует отметить, чт
о иногда наряду с водородом в материале
могут содержаться элементы, также поглощающие или замедляющие
нейтроны.
147
8. РЕГУЛЯТОРЫ
8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕГУЛЯТОРАХ
Промышленностью выпускается большое количество различных
автоматических регуляторов, предназначенных для регулирования
температуры, давления, расхода, уровня, состава вещества и пр.
Автоматические регуляторы разделяются на регуляторы прямого
и непрямого действия.
Регуляторы прямого действия управляют регулирующим органом
за счёт энергии, получаемой от регулируемой среды. Область применения этих регуляторов ограниченна. Они не приспособлены к переходу на дистанционное упр
развивать значительных усилий, а также не могут производить сложного регулирующего воздействия.
Регуляторы непрямого действия по виду энергии, потребляемой
от постороннего источника, разделяются на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.
Гидравлические регуляторы применяются в металлургической,
химической и энергетической промышленности. Они характеризуются
высокой эксплуатационной надёжно
К положительным свойствам этих регуляторов следует отнести их
способность развивать значительные перестановочные усилия и отсутствие выбегов.
Пневматические регуляторы особенно широко распространены
там, где возможно возникновение пожаров и взрывов. Например,
в нефтяной и газовой промышленности почти исключительно применяются пневматические регуляторы. Пневматические регуляторы, так
же как и гидравлические, хар
надёжностью и сравнительной простотой обслуживания.
Электрические регуляторы (электромеханические и электронные)
наиболее широко применяются в различных производствах. Большим
преимуществом этих регуляторов по сравнению с гидравлическими и
пневматическими является возможность передачи командных импульсов от регулятора к промежуточным устройствам и исполнительному
механизму на практически неограниченные расстояния с минимальным запаздыв
анием передачи. Конструкции и способы действия элек-
трических регуляторов весьма разнообразны.
В соответствии с классификацией автоматических систем автоматические регуляторы делят на:
148
авление регулирующим органом, не способны
стью и простотой конструкции.
актеризуются высокой эксплуатационной
1) стабилизирующие, программные, следящие, самонастраиваю-
щиеся (экстремальные);
2) реагирующие на отклонения регулируемого параметра или
возмущения, а также того и другого;
3) релейные, непрерывного действия, импульсные.
Наибольшее распространение в промышленности получили стабилизирующие автоматические регуляторы непрерывного действия и
релейные, реагирующие на отклонение регулируемой величины и использующие для воздействия на исполнительный механизм электри
ческую энергию или энергию сжатого воздуха. В состав такого регулятора обычно входят первичный (передающий) преобразователь 1;
задающее устройство 2; сумматор 3; измерительный блок 4; регулирующий блок 5; исполнительный механизм 6 и устройство корректирующей обратной связи 7, несколько вариантов включения которого
приведено на рис. 8.1.
Проверка правильности выбора регулятора п
роизводится на основе соображений технологического и эксплуатационного характера.
Вопрос о правильности выбора управляющего сигнала (непрерывного
или дискретного) решается на основании анализа динамических характеристик объекта регулирования. Простейшим (приближённым) критерием оценки в этом случае является отношение времени запаздывания объекта τ к его постоянной времени Т. Так, при τ/T < 0,2 пр
именяют релейный регулятор, при τ/Т > 0,2 – регулятор непрерывного действия или импульсный.
Релейные (позиционные) регуляторы выдают сигнал, который
обеспечивает перемещение регулирующего органа в одно из фиксированных положений (позиций). Таких положений может быть два-три и
более. По их количеству различают двух-, трёх- и многопозиционные
регуляторы.
Рис. 8.1. Структурная схема автоматического регулятора
149
Процесс позиционного регулирования является автоколебательным,
т.е. регулируемая величина как в переходном, так и в установившемся
режиме периодически изменяется относительно заданного значения.
Статическая характеристика наиболее распространённого двухпозиционного регулятора приведена на рис. 8.2.
Величина 2Δ определяет зону неоднозначности регулятора. При
изменении входной величины относительно заданного значения на Δ
выходная величина скачком достигает максимал
. У двухпозиционного регулятора имеются два органа настрой-
x
вых max
ки, с помощью которых устанавливают x
вых max
и Δ.
ьного значения
Трёхпозиционные регуляторы в отличие от двухпозиционных, которые могут задать регулирующему органу два устойчивых положения –
«больше» и «меньше», обеспечивают ещё и третье положение –
«норма». Нашли применение также релейные регуляторы, работающие
в комплекте с исполнительными механизмами, которые имеют постоянную скорость вращения.
Регуляторы непрерывного действия являются наиболее распространёнными и сове
ршенными регуляторами. По количеству реализуемых ими законов регулирования, т.е. функциональных зависимостей выходной величины от входной, различают регуляторы интегральные (И), или астатические; пропорциональные (П), или статические; пропорционально-интегральные (ПИ), или изодромные; пропорционально-дифференциальные (ПД), или статические с предварением,
и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) или из
о-
дромные с предварением.
В современных регуляторах закон регулирования формируется,
как правило, в соответствующих устройствах обратной связи, за исключением интегрального регулятора, который не имеет дополнительной обратной связи.
Рис. 8.2. Статическая характеристика двухпозиционного регулятора
150