- •Технические измерения и приборы
- •Введение
- •Измеряемые и регулируемые величины
- •1. Государственная система приборов
- •1.1. Основные понятия и определения гсп
- •1.2. Принципы построения гсп
- •1.3. Классификация средств измерения и автоматизации гсп
- •1.3.1. Функциональные группы изделий гсп
- •1.3.2. Примеры агрегатных комплексов
- •1.4. Основные ветви системы
- •Контрольные вопросы
- •2. Общие характеристики средств измерения
- •2.1. Классификация средств измерения
- •2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств
- •2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств
- •2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин
- •2.2.2. Структурные схемы измерительных систем
- •2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств
- •2.4. Динамические характеристики измерительных устройств
- •2.5. Погрешности средств измерений
- •2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений
- •2.6.1. Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств
- •2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных систем
- •Контрольные вопросы
- •3. Измерительные информационные системы
- •3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах
- •3.1.1. Поколения измерительных информационных систем
- •3.1.2. Классификация иис
- •3.1.3. Требования, предъявляемые к иис
- •3.1.4. Основные компоненты иис
- •3.2. Виды информационно-измерительных систем
- •3.2.1. Измерительные системы
- •3.2.1.1. Многоканальные ис
- •3.2.1.2. Сканирующие ис
- •3.2.1.3. Ис параллельно-последовательного действия (многоточечные)
- •3.2.2. Системы автоматического контроля
- •3.2.3. Системы технической диагностики
- •3.2.4. Система телеизмерения
- •3.2.5. Перспективы развития иис
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические измерения и приборы
- •4.1. Аналоговые средства измерений
- •4.1.1. Электромеханические приборы
- •4.1.1.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •4.1.1.2. Гальванометры
- •4.1.1.3. Приборы электромагнитной системы
- •4.1.2. Компенсаторы постоянного тока
- •4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры
- •4.2. Цифровые электронные вольтметры
- •4.2.1. Цифровой вольтметр с глин
- •4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования
- •4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей
- •4.3.1. Метод вольтметра-амперметра
- •4.3.2. Метод непосредственной оценки
- •4.3.2.1. Электромеханические омметры
- •4.3.2.2. Электронные омметры
- •4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений
- •4.3.4. Метод дискретного счета
- •4.4. Электронно-счетный частотомер
- •Контрольные вопросы
- •5. Передающие преобразователи неэлектрических величин
- •5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи
- •5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией
- •5.3. Электросиловые преобразователи
- •5.4. Измерительные тензопреобразователи
- •Контрольные вопросы
- •6. Измерение температур
- •6.1. Практические температурные шкалы
- •Средства измерения температур
- •6.2. Термометры расширения
- •6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры
- •Технические электроконтактные термометры
- •6.2.2. Манометрические термометры
- •6.2.2.1. Газовые манометрические термометры
- •6.2.2.2. Жидкостные манометрические термометры
- •6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры
- •6.3. Термоэлектрические термометры
- •6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей
- •6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров
- •6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода
- •6.4. Термометры сопротивления
- •6.4.1. Медные термометры сопротивления
- •6.4.2. Никелевые термометры сопротивления
- •6.4.3. Платиновые термометры сопротивления
- •6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления
- •6.4.5. Устройство термометров сопротивления
- •6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления
- •6.4.6.1. Двухпроводная схема подключения
- •6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения
- •6.4.6.3. Четырехпроводная схема подключения
- •6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей
- •6.6. Промышленные термопреобразователи
- •6.6.1. Преобразователи термоэлектрические тха «Метран-201» и тхк «Метран-202»
- •6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные тсм «Метран-253» (50м) и тсм «Метран-254» (100м)
- •6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые тсп «Метран-245»; «Метран-246»
- •6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом тхау «Метран-271», тсму «Метран-274», тспу «Метран-276»
- •6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные тхау «Метран-271мп», тсму «Метран-274мп», тспу «Метран-276мп»
- •6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», «Метран-286»
- •Контрольные вопросы
- •7. Измерение давления
- •7.1. Классификация манометров
- •7.1.1. По виду измеряемого давления
- •7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления
- •7.2. Деформационные манометры
- •7.2.1. Трубчато-пружинные манометры
- •7.2.2. Электроконтактные манометры
- •7.2.3. Манометры с дтп
- •7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков
- •7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией
- •7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры
- •7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры
- •7.3. Пьезоэлектрические манометры
- •7.4. Манометры с тензопреобразователями
- •7.5. Методика измерения давления и разности давлений
- •Контрольные вопросы
- •8. Измерение уровня
- •8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
- •8.2. Гидростатические уровнемеры
- •8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •8.4. Емкостные уровнемеры
- •8.5. Индуктивные уровнемеры
- •8.6. Ультразвуковые уровнемеры
- •Контрольные вопросы
- •9. Измерение расхода
- •9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления
- •9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами
- •9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке
- •9.4. Расходомеры постоянного перепада
- •9.4.1. Ротаметры
- •9.4.2. Тахометрические расходомеры
- •9.4.3. Электромагнитные расходомеры
- •9.9. Схема расходомера с электромагнитом
- •9.4.4. Ультразвуковые расходомеры
- •9.4.5. Вихревые расходомеры
- •9.4.6. Вихреакустические расходомеры
- •9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 пр»
- •9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры
- •9.5. Обзор имеющихся расходомеров
- •Контрольные вопросы
- •10. Измерение положения, скорости, ускорения
- •10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения
- •10.3. Кодовые датчики положения
- •10.4.3. Импульсные датчики скорости
- •10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения
- •Контрольные вопросы
- •11. Метрологическое обеспечение измерений
- •11.1. Передача размера единиц измерения
- •11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений
- •11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления
- •Грузопоршневые манометры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Список литературы
Контрольные вопросы
Манометр показывает давление 2,3 технических атмосферы. Какое это давление в других единицах: МПа, бар, кгс/см2, кгс/м2, мм вод. ст, мм рт. ст?
Как называются приборы, измеряющие атмосферное, абсолютное, разностное, избыточное давление или разряжение?
Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения давления.
Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства измерения давления.
Каковы тенденции развития средств измерения давления для современных микропроцессорных систем автоматизации?
Достоинства и недостатки:
– деформационных трубчато-пружинных манометров с электроконтактными или дифференциально-трансформаторными преобразователями;
– мембранных и сильфонных манометров;
– манометров с тензопреобразователями.
Каковы способы снижения погрешности измерений давления от изменения температуры?
8. Измерение уровня
Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования.
Уровнемеры могут использоваться либо для контроля над отклонением уровня от номинального, и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества жидкости (в сочетании с известными размерами емкости), и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу.
В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательных стекол).
При необходимости дистанционного измерения уровня используются более сложные уровнемеры: гидростатические, буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические.
8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
Принцип действия уровнемеров основан на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Схема уровнемера с визуальным отсчетом
При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Исходя из условий прочности, не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.
Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур (особенно если жидкость в резервуаре находится при высокой температуре, а указательное стекло находится на значительном удалении).
8.2. Гидростатические уровнемеры
В этих уровнемерах измерение уровня Н жидкости постоянной плотности сводится к измерению гидростатического давления p, создаваемого жидкостью:
. (8.1)
Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется дифманометрическим.
Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис. 8.2.
Обе импульсные трубки дифманометра заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна).
Дифманометр измеряет разность давлений и , действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (8.1) можно записать выражения для этих давлений: ; . Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н,
. (8.2)
Рис. 8.2. Схема подключения дифманометра при измерении уровня в открытом резервуаре
Если плотности и жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если , то
, (8.3)
где .
Из (8.2) и (8.3) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т.е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях появится также, если имеется разность плотностей и в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (8.3) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н.
Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств. Такие уровнемеры отличаются механической прочностью, простотой монтажа, надежностью. Но им присущ один существенный недостаток: чувствительный элемент дифманометров находится в непосредственном контакте с контролируемой средой. При измерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо использования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например, включения в импульсные линии разделительных устройств, продувка импульсных линий чистой водой и т.д.
Примером измерительных преобразователей для измерения уровня жидкости, работающих на принципе измерения гидростатического давления, является интеллектуальный датчик давления серии «Метран-100-ДГ».
Датчик предназначен для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 величины гидростатического давления.
Конфигурирование датчика в зависимости от модели микропроцессорного преобразователя (МП):
кнопками со встроенной панели;
с помощью HART-коммуникатора или HART-модема и программы HART-Master и компьютера;
с помощью цифрового интерфейса RS-485.
Доступ к параметрам датчика осуществляется через ОРС-сервер.
Датчик оборудован встроенным фильтром радиопомех, внешней кнопкой установки «нуля». Обеспечена непрерывная самодиагностика датчика. Внешний вид датчика «Метран-100-ДГ» моделей 1533 и 1534 приведен на рис. 8.3.
Датчики гидростатического давления (уровня) «Метран-100-ДГ» имеют ряд верхних пределов измерений 40; 25; 16; 10; 6,3; 4 кПа для модели 1533 и 250; 160; 100; 63; 40; 25 кПа для модели 1543.
Выходной сигнал:
0÷5, 4÷20, 0÷20, 5÷0, 20÷4, 20÷0 мА. Для датчиков исполнения Ех – только 4÷20 мА;
4÷20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола;
цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485, протоколы обмена ICP или Modbus, скорость обмена по цифровому каналу связи для датчиков с кодом МП4, МП5 устанавливается потребителем из следующего ряда: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.
Принцип действия заключается в следующем. При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности чувствительного элемента.
Рис. 8.3. Датчик «Метран-100-ДГ»
Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.
В памяти сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.
Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и далее:
для датчиков с кодами МП, МП1, МП2, МП3 передает его в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал или цифровой в стандарте HART (МП2, МП3);
для датчиков с кодами МП4, МП5 при помощи драйвера RS-485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи.
Датчики ДГ предназначены для технологических процессов с медленно меняющейся температурой рабочей среды, при этом температура измеряемой среды в зоне открытой мембраны не должна отличаться от температуры окружающего воздуха более чем на ±5 °С.
Датчики ДГ выдерживают со стороны открытой мембраны одностороннее воздействие перегрузки давлением, равным предельно допускаемому рабочему избыточному давлению; со стороны статической полости датчики выдерживают перегрузку давлением, в 1,25 раза превышающим верхний предел измерения модели.
Настройка параметров, контроль, управление и калибровка микропроцессорных датчиков «Метран-100-ДГ» с кодами МП4, МП5 осуществляются дистанционно как с помощью программных средств АСУТП, так и при помощи модема RS-485/RS-232 и программы ICP-Master.
Канальный уровень управляет доступом к физической среде, осуществляет контроль локальной сети, прием и последовательную передачу пакетов сообщений. Связь в протоколе осуществляется по принципу Главный или Мастер (контроллер, устройство сбора информации, управляющий компьютер) – Подчиненный (датчик «Метран-100», посылающий ответ на запрос Мастера). Сообщение представляет собой строку ASCII символов. Сообщения кодируются как последовательность восьмиразрядных байтов и передаются с использованием стандартного UART (Универсальный асинхронный приемник/передатчик) для посылки каждого байта.
Протокол допускает возможность работы на следующих скоростях: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.
Прикладной уровень описывает команды, поддерживаемые датчиком «Метран-100-ДГ», например:
чтение значений давления;
запись конфигурации (сетевой адрес датчика, скорость канала связи, формат представления данных, время демпфирования, единицы измерения);
калибровку «нуля» давления;
установку диапазона измерений давления;
калибровку верхнего предела измерений давления;
калибровку нижнего предела измерений давления;
чтение конфигурации;
чтение статуса и др.
Датчики гидростатического давления (уровня) могут использоваться для измерения уровня в резервуарах открытых, закрытых, но соединенных с атмосферой, в закрытых под давлением и работают только с однородными жидкостями.
Обычно датчики гидростатического давления устанавливаются на боковой стенке резервуара вблизи дна. Возможна установка датчика в дно резервуара при условии доступа к нему во время монтажа и эксплуатации, а также при отсутствии возможности осаждения веществ, растворенных в жидкости, на мембране датчика.
При установке в открытых резервуарах датчик гидростатического давления измеряет давление, соответствующее высоте столба жидкости над ним (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Схема установки датчиков «Метран-100-ДГ» при измерении гидростатического давления в открытом резервуаре
Датчик настроен на воздействие давления со стороны открытой мембраны; штуцер А соединен с атмосферой. dм – диаметр мембраны датчика.
Варианты установки датчика разности давлений «Метран-100-ДД» при измерении уровня в открытых резервуарах показан на рис. 8.5, а, 8.5, б и 8.5, в.
а б в
Рис. 8.5. Схемы установки датчика разности давлений «Метран-100-ДЦ» при измерении уровня в открытых резервуарах
При установке в закрытых резервуарах давление над жидкостью Ризб оказывает влияние на результат измерения. Поэтому давление Ризб необходимо подать на датчик давления, соединив статическую полость датчика с объемом резервуара над жидкостью. Схема установки показана на рис. 8.6 при условии, что среда, находящаяся в верхней части резервуара, не конденсируется
Для процессов, где невозможно избежать обильного образования и накопления конденсата в трубе, соединяющей датчик с объемом на жидкостью, предлагается использование схем подключения датчика с уравнительным сосудом и соединительной трубкой, заполненных жидкостью. Плотность жидкости в резервуаре и уравнительном сосуде должна быть одинаковой. Схема подключения, показанная на рис. 8.7, предназначена при условии, что среда, находящаяся в верхней части резервуара, конденсируется.
Рис. 8.6. Схема установки датчиков «Метран-100-ДГ» в закрытом резервуаре под давлением
Рис. 8.7. Схема установки датчика разности давлений «Метран-100-ДД» при измерении уровня в закрытом резервуаре под давлением