Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет тонких химических

технологий имени М.В.Ломоносова

Кафедра

«Системы управления и автоматизация химикотехнологических процессов»

И.П. Титова, Н.В. Шумова

Технические средства автоматизации

(измерительные системы и исполнительные устройства)

Учебное пособие

Москва

Издательство МИТХТ

2014

УДК 62-50:66.012-52+681.513.5(075.8)

ББК 32.965.9я73

Рецензент: д.т.н., профессор М.К. Захаров

И.П. Титова, Н.В. Шумова Технические средства автоматизации (измерительные системы и

исполнительные устройства). Учебное пособие.

М., МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2014 – 80с.: ил.

Пособие разработано на основании рекомендаций государственных образовательных стандартов и утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В. Ломоносова в качестве учебного пособия, поз. № 117/14.

Данное учебное пособие является дополнением к существующим учебникам по техническим средствам автоматизации в химической промышленности и соответствует курсу лекций и лабораторному практикуму для студентов, обучающихся по дисциплине «Системы управления химико-технологическими процессами». В пособие рассматриваются технические средства, используемые в схемах автоматизации, их достоинства и недостатки, а также возможные области применения в системах управления основными химикотехнологическими процессами.

Настоящее пособие может быть полезно студентам, обучающимся по специальности «Химическая технология» при подготовке к рубежным контрольным мероприятиям и к экзамену по указанной дисциплине.

© МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2014г.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...……………………………………………………………………… 4

1.ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ ……………………………………………... 5

2.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ………..………………… 7

3.ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ……………….……………………………... 12

3.1.Жидкостные манометры …………………………………………………. 13

3.2.Деформационные преобразователи давления ………….…....…………. 13

3.3.Электрические манометр ………………………………...……………… 15

4.ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ………………………………………... 16

4.1 Измерение температуры контактным методом …………………………..17

4.2Измерение температуры бесконтактным методом ……………………… 24

5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ………………………….…………………..… 26

5.1.Измерение расхода по перепаду давлений на сужающем устройстве .... 27

5.2.Измерение расхода с помощью напорных трубок ……………………… 30

5.3.Расходомеры постоянного перепада давления ………………….……… 30

5.4.Объемные расходомеры и счетчики ………...…………………………… 32

5.5.Скоростные счетчики ………………………………………………….…. 33

5.6.Измерение расхода на основе тепловых явлений ………………………. 34

5.7.Электромагнитные расходомеры ……………………………………….. 35

5.8Ультразвуковые расходомеры …………………………………………… 36

5.9.Кориолисовы расходомеры ………………………………………...…… 36

6. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И СЫПУЧИХ ТЕЛ …….…… 38

6.1.Механические уровнемеры ………………………………………...…… 39

6.2.Гидростатические и пьезометрические уровнемеры ……………….… 40

6.3.Кондуктометрические уровнемеры …...………………………………… 42

6.4.Емкостные уровнемеры …………………………………………………. 43

6.5.Ультразвуковые уровнемеры ………………………………………...… 43

6.6.Измерение уровня с помощью радиоактивных изотопов ………….… 46

7. ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ВЕЩЕСТВ ………………………………………..………………………… 46

7.1. Физические газоанализаторы …………………………………..……… 47 7.2. Измерение концентрации растворов…………………………………… 55

7.3.Денсиметрические анализаторы …...…………………………………… 58

7.4.Ультразвуковые анализаторы ………………………………………...…. 59

7.5.Химические газовые сенсоры …………………………………………… 59

8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОИСТВА ………...……………………... 60

8.1.Регулирующие органы …………………………………………….…… 62

8.2.Исполнительные механизмы …………………………………...……… 66

Выводы ………………………………………………...……………………… 72

Список литературы ………………………...………………………………… 73

3

Введение

Качество управления технологическим процессом определяется структурой и свойствами системы автоматического управления (САУ), а также погрешностью измерений технологических параметров, быстродействием и надежностью работы исполнительных устройств. Для измерений параметров технологического процесса используются измерительные системы (ИС) как элементы системы управления и самостоятельно для текущего контроля. В работе рассмотрены используемые в схемах автоматизации химико-технологических процессов технические средства измерения.

Устройство в автоматической системе управления, воздействующее на технологический процесс в соответствии с полученным от управляющего устройства командным сигналом, называется исполнительным устройством (ИУ). В зависимости от конкретных условий работы структура и конструкция ИУ существенно различаются. Представлены классификации ИУ, их структура и область применения.

Выбор технических средств измерения рассмотрен с использованием терминов метрологии.

4

1. ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ

Измеряемая физическая величина — физическая величина,

подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

Шкала физической величины — упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Например, международная температурная шкала, состоящая из ряда реперных точек, значения которых приняты по соглашению между странами Метрической конвенции и установлены на основании точных измерений, является исходной основой для измерений температуры.

Измерительный преобразователь — техническое средство,

служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы.

Измерительная цепь — совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

Чувствительный элемент средства измерений — часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные (ИИС), измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

Зона нечувствительности средства измерений — диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений.

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей. Классификация методов измерения технологических параметров разнообразна, поэтому выделим лишь некоторые.

При контактном методе измерений чувствительный элемент средства измерений приводится в контакт с объектом измерений.

5

Для бесконтактного метода измерений характерно отсутствие контакта чувствительного элемента средства измерений с объектом измерений.

Нормальные условия измерений — условия измерения,

характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по результатам их поверки (калибровке).

Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Считают, чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность.

Сходимость результатов измерений — близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений — близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Погрешность результата измерения — отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность измерения — погрешность измерения,

выраженная в единицах измеряемой величины.

Если истинное значение измеряемой величины неизвестно, вместо него используют действительное значение измеряемой величины:

Абсолютная погрешность СИ выражается в единицах измеряемой физической величины и имеет знак.

Абсолютная погрешность средства измерений — разность между показаниями средства измерений А и истинным значением измеряемой физической величины.

Приведенная погрешность средства измерений —

относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона:

6

Приведенную погрешность обычно выражают в процентах.

Класс точности средств измерений — обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами СИ.

Правила обозначения классов точности устанавливаются стандартами. Одним из распространенных вариантов является обозначение класса точности числом, совпадающим со значением допускаемой основной приведенной погрешности:

где КТ — число, обозначающее класс точности; — допускаемая основная абсолютная погрешность.

Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ одного типа.

В зависимости от условий измерения погрешности подразделяются на основные и дополнительные.

Основная погрешность средства измерений — погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений —

погрешность средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора или применяется отдельно в составе измерительной цепи.

По расположению в измерительной цепи различают первичные,

промежуточные и нормирующие преобразователи.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) —

измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. это первый преобразователь в измерительной цепи. Например, термопара, рНэлектрод, трубка Бурдона, биметаллическая пластинка, поплавок ротаметра, терморезистор.

7

Активный измерительный преобразователь (генераторный преобразователь) непосредственно преобразует одну форму энергии в другую, не нуждаясь во внешнем источнике энергии. Например, термопара преобразующая тепловую энергию в электрическую.

Пассивный измерительный преобразователь (параметрический преобразователь) не может непосредственно преобразовывать энергию, но он управляет энергией, поступающей от внешнего источника. Например, терморезистор непосредственно не преобразовывает тепловую энергию в электрическую, но изменение его сопротивления влияет на протекающий в цепи электрический ток, создаваемый внешним источником.

Входные сигналы измерительных преобразователей разнообразны, число физических величин, применимых в качестве выходных сигналов, ограничено.

Под интеллектуальным датчиком следует понимать датчик со встроенным микроконтроллером (своего рода — «интеллектом»). Интеллектуальный датчик имеет связь с системой управления, может посылать ей не только измерительную информацию, но и результаты самодиагностики и информацию о сбоях. Для этого в датчике предусмотрено средство, поддерживающее протокол обмена данными согласно какому-либо сетевому стандарту.

Структура измерительного преобразователя

Измерительный преобразователь можно рассматривать как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ).

Чувствительный элемент воспринимает измеряемую величину и преобразует ее в другую физическую величину. Далее промежуточный измерительный преобразователь преобразует физическую величину в электрический сигнал, который отражает значение измеряемой величины.

Промежуточные преобразователи

Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называют элемент, занимающий в измерительной цепи место после первичного измерительного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя — преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя в форму, удобную для последующего восприятия измерительной информации и для дистанционной ее передачи.

8

Например, при измерении неэлектрических технологических параметров, таких как расход, давление, перепад давления, уровень многие первичные измерительные преобразователи преобразуют измеряемую величину в смещение. Последующее преобразование смещения в электрический сигнал осуществляется с помощью промежуточных преобразователей смещения: тензометрических, емкостных, пьезоэлектрических, индуктивных.

Тензометрические преобразователи

Изменения формы какого-либо элемента, обусловленные воздействием внешних или внутренних сил, сопровождаются деформацией его поверхности, при этом можно измерить такие физические величины, как силу, давление, перемещение и т. д., и использовать метод тензометрии, основанный на измерении деформаций, при построении преобразователей различных величин. Среди тензометров самое широкое применение нашли тензорезисторы (тензодатчики). Закрепленный на поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свое электрическое сопротивление, которое может быть далее измерено. Тензорезистор является пассивным преобразователем, поэтому на него необходимо подавать питание от электрического источника напряжения. Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой решетку, выполненную из тонкого электрического проводника. В обычном исполнении решетка заделана в тонкопленочную полимерную основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения и защищающую от повреждений.

Тензорезисторы имеют малые размеры, малую массу (около 10...500 мг) и малую жесткость. Поэтому характеристики даже небольших объектов измерения практически стабильны, что является особым преимуществом тензорезистора по сравнению с другими тензометрами. Различают металлические и полупроводниковые тензорезисторы.

Емкостные преобразователи

Известно, что емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, зависит от расстояния между пластинами, от площади взаимного перекрытия пластин и значения диэлектрической постоянной среды между пластинами, которые могут изменяться под действием измеряемой величины.

9

Емкостные преобразователи чувствительны к температурным колебаниям и могут выдать неправильный сигнал, когда соединительные провода длинны и обладают сами значительной емкостью.

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэффект связывает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нем электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические деформации (обратный пьезоэффект) и, наоборот, механическое воздействие на кристалл порождает в нем электрическое напряжение (прямой пьезоэффект). Пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на прямом пьезоэффекте, преобразуют, например, давление в пропорциональный электрический сигнал.

Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например кварце, так и в поликристаллических материалах, например керамике. Монокристаллический кварц имеет более высокую температурную стабильность, химическую стойкость и прочность, чем пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика). В отличие от естественных кристаллов, таких как кварц (или турмалин), пьезокерамика не обладает пьезоэлектрическими свойствами сразу после ее изготовления из-за хаотической ориентации электрических диполей. Подвергая пьезокерамику воздействию электрического поля напряженностью 10...30 кВ/см при температуре ниже температуры Кюри, можно ориентировать материал так, что он будет действовать, как монокристалл. Преимущество пьезокерамики: из нее можно изготовить образцы сложной конфигурации, она химически стойка и может изготовляться по стандартным технологиям для керамических материалов.

Одним из основных типов пьезокерамических датчиков является осевой (механическая сила действует вдоль оси поляризации). В осевых датчиках пьезоэлемент может представлять собой диск, кольцо, цилиндр или пластину.

Индуктивные преобразователи

Действие индуктивных преобразователей основано на изменении собственной или взаимной индуктивности катушек. Индуктивный преобразователь, широко используемый, для измерения смещений (и тем самым давления или других технологических параметров), — линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) — рисунок 2.1.

10

а — электрическая схема; 6— конструкция передающего дифференциально-трансформаторного преобразователя (1 — односекционная первичная обмотка; 2 — секции вторичной (выходной) обмотки; 3 — подвижный сердечник; 4 — катушка преобразователя); в — статическая характеристика (зависимость напряженияот положения сердечника); — рабочий диапазон перемещения сердечника

В основе работы ЛДТ лежит принцип изменения взаимной индукции между магнитосвязанными катушками.

Начало координат — центральное положение сердечника. Индуктивный преобразователь имеет преимущество, поскольку в

нем отсутствует трение и износ движущихся частей. ЛДТ используют для работы при перемещениях сердечника от ±0,01 см до ±30 см.

Преобразователи электрических сигналов

Преобразователи электрических сигналов как типовые элементы САУ выполняют функции согласующих устройств без изменения количества информации, содержащегося в преобразуемом сигнале. Основные технические требования, предъявляемые к преобразователям электрических сигналов: точность и стабильность преобразования, а также высокое быстродействие.

Нормирующие преобразователи

Для преобразования выходных сигналов первичных измерительных преобразователей в унифицированные сигналы для взаимного согласования входящих в САУ элементов, дистанционной передачи сигналов по каналам связи служат нормирующие преобразователи с унифицированным выходным сигналом, представляющие собой конструктивно законченные изделия. Действие

токовых нормирующих преобразователей для термопар и датчиков ЭДС основано на статической автокомпенсации. Токовые

нормирующие преобразователи применяют и для термопреобразователей сопротивления.

11