6.2. Датчики
Для контроля технического состояния газоперекачивающего агрегата, технологического и вспомогательного оборудования используются разного рода измерительные первичные преобразователи (датчики). Датчики преобразуют физическую величину в электрический сигнал и работают с показывающими, регистрирующими вторичными приборами, регуляторами, системами автоматического управления и контроля. Параметрами, характеризующими техническое состояние оборудования, являются: температура, давление, перепад давлений, вибрация и другие.
Датчики давления предназначены для непрерывного пропорционального преобразования мгновенного значения давления или разности давлений жидкостей или газов в унифицированный токовый сигнал.
Датчики давления в зависимости от модификации применяются для измерения избыточного давления, разрежения или абсолютного давления. В настоящее время наиболее широко используются датчики с тензопреобразователем в качестве чувствительного элемента. Конструктивно датчик давления состоит из датчика-тензопреобразователя и электронного блока. Работает он следующим образом: давление рабочей среды воздействует на мембрану и посредством штока вызывает деформацию чувствительного элемента, прочно скрепленного с мембраной тензопреобразователя. Чувствительный элемент представляет собой кристалл сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы поступает в дифференциальный усилитель электронного блока. Некоторые модели датчиков имеют также регулятор коэффициента усиления, который обеспечивает перенастройку диапазонов измерения. Усиленный сигнал преобразуется в унифицированный токовый (0-5, 0-20, 4-20, 20-4, 20-0, 5-0 мА). Устройство термокоррекции компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.
Пример одного из типов различных датчиков, приведен на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Датчик для измерения перепада давлений Метран-43-ДД:
(+) - камера положительного давления; (-) - камера отрицательного давления; 1 - разделительная мембрана; 2 - шток; 3 - мембрана тензопреобразователя; 4 - мостовая схема; 5 - электронный блок; 6 - преобразователь; 7 - узел питания; 8 - устройство термокоррекции
Широкое распространение на КС получили дифференциальные мембранные манометры типов ДМ-23578А, ДМ-23579А, ДтХ-01 и др. Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из мембранных коробок, ввернутых с обеих сторон в перегородку. При этом образуется две камеры - плюсовая (нижняя) и минусовая (верхняя). Внутренние полости мембранных коробок заполнены этиленгликолем и сообщаются между собой. Под воздействием перепада давления в камерах нижняя мембранная коробка сжимается, и жидкость из нее перетекает в верхнюю коробку, раздувая ее, что вызывает перемещение плунжера дифтрансформаторного преобразователя и приводит, в свою очередь, к изменению взаимной индуктивности между его первичной и вторичной цепями. Деформация чувствительного элемента происходит до тех пор, пока силы, вызванные перепадом давления, не уравновесятся упругими силами мембранных коробок. Поскольку электрический выход дифманометров представляет собой сигнал взаимной индуктивности и он не является унифицированным, то они работают только в комплекте со вторичными приборами дифтрансформаторной системы типов КСД2, КСДЗ и т п. или ферродинамической системы типов ВФС, ВФП и др., в зависимости от модификации дифманометра.
Аналогичный принцип преобразования имеют манометры МИД-22331А, МИД-22371А и др., измеряющие избыточное и вакууметрическое давление и имеющие одну измерительную камеру
Для контроля давления и разности давлений применяются также дискретные сигнализаторы (реле) давления и перепада давлений. Принцип действия такого сигнализатора основан на уравновешивании сил, создаваемых в чувствительных элементах и упругих деформациях пружин. Чувствительный элемент в зависимости от исполнения сигнализатора может быть выполнен в виде сильфонного узла, мембранного узла или трубки Бурдона. Выпускаются сигнализаторы в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях. Принципиальная схема сигнализатора давления приведена на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Сигнализатор давления "Садко 107":
1 - чувствительный элемент; 2 - контактная система; 3 - винт настройки; 4 - пружина
В качестве сигнализаторов давления применяются также электроконтактные манометры (ЭКМ) - манометры, имеющие в своей конструкции две контактные группы для уставок, одна из которых замыкается при понижении давления ниже заданного, а другая замыкается при превышении заданного давления.
Отличие сигнализаторов перепада давления от сигнализаторов давления состоит в наличии двух камер для подвода контролируемых сред и использованием в качестве чувствительного элемента мембраны.
В некоторых типах сигнализаторов, особенно взрывозащищенного исполнения, контактная система может быть выполнена в виде магнитоуправляемого контакта (геркона).
Средства измерения температуры (преобразователи температуры) можно условно разделить на шесть основных групп: погружаемые термопреобразователи сопротивления; подшипниковые термопреобразователи сопротивления; поверхностные термопреобразователи сопротивления; термопреобразователи сопротивления с унифицированным токовым выходом; преобразователи термоэлектрические; преобразователи измерительные для термопреобразователей сопротивления и преобразователей термоэлектрических.
Термопреобразователи сопротивления предназначены для определения температуры измеряемой среды, преобразуемой в омическое сопротивление чувствительного элемента. Основными материалами для изготовления чувствительных элементов являются технические медь и платина, сопротивление которых изменяется практически прямо пропорционально изменению температуры.
Погружаемые термопреобразователи сопротивления выпускаются в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях (рис. 6.6). В настоящее время в конструкции приборов применяется двойная герметизация электрической цепи; чувствительный элемент представляет собой малоинерционный модуль, а исполнение может быть с одним или двумя чувствительными элементами, инерционность которых составляет от 10 до 15 с, температурный диапазон измерения преобразователей с медным чувствительным элементом от -60 до 150 °С, с платиновым чувствительным элементом обычно от -80 до 250 °С.
Рис. 6.6. Принципиальные схемы погружаемых термопреобразователей сопротивления
Подшипниковые термопреобразователи (рис. 6.7) имеют инерционность от 4 до 8 с, обладают повышенной маслостойкостью и механической прочностью, имеются модификации с кабельным вводом в защитной пружине по всей длине или в месте заделки кабеля в корпус. Температурный диапазон измерения до 180 °С.
Рис. 6.7. Принципиальные схемы подшипниковых термопреобразователей сопротивления
Поверхностные термосопротивления (рис. 6.8) предназначены для установки непосредственно на поверхности труб наземных и подземных трубопроводов, а также для измерения температуры грунта. В связи с очевидными трудностями замены вышедших из строя поверхностных термопреобразователей, в конструкции предусмотрено дублирование или троирование модулей чувствительных элементов. Токовые выводы чувствительных элементов размещены внутри кабельного вывода длиной 3-5 м, состоящего из трубки нержавеющей стали и надетого на нее металлорукава. Соединение корпуса с кабельным выводом выполнено с помощью аргонно-дуговой сварки, исключающей разгерметизацию измерительного тракта в процессе эксплуатации. Корпус и кабельный вывод электроизолированы от поверхности трубы для развязки от потенциала катодной защиты трубопровода. Инерционность поверхностных термопреобразователей не превышает 60 с.
Рис. 6.8. Принципиальные схемы поверхностных термопреобразователей сопротивления
Термопреобразователи сопротивления с унифицированным токовым выходом имеют стандартный токовый сигнал 0-5 или 4-20 мА. Изготавливаются погружаемые и поверхностные преобразователи в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях. Рабочий диапазон измерения от -50 до 200 °С.
Преобразователи термоэлектрические (рис. 6.9) имеют в качестве чувствительного элемента два электрода, концы которых спаяны между собой, и под воздействием температуры между электродами возникает термоЭДС прямо пропорциональная изменению температуры. Наиболее применяемыми термопарами на турбоагрегатах являются термопары с электродами хромель-алюмель с диапазоном измерения 0-900 °С, реже используются хромель-капелевые термопары с диапазоном измерения 0-500 °С.
Рис. 6.9. Принципиальные схемы термоэлектрических преобразователей
Чувствительный элемент преобразователей выполняется на базе термопарного кабеля с минеральной изоляцией типа КТМС диаметром 1,5; 4 или 6 мм, что снижает инерционность до 5 с. Термопары выпускаются как с одиночным, так и с дублированными чувствительными элементами, с изолированным или неизолированным от корпуса преобразователей горячим спаем.
В системах автоматического управления КС широко применяются сигнализаторы (реле) температуры. Существует несколько типов сигнализаторов: манометрические, дилатометрические, мембранные, сильфонные. Принцип действия указанных реле температуры одинаков - это изменение геометрических размеров чувствительного элемента в зависимости от температуры контролируемой среды. Таким образом, работа рассматриваемых сигнализаторов аналогична работе сигнализаторов давления. Сигнализаторы температуры изготавливаются также в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях.
Для контроля частоты вращения валов агрегатов используются индукционные датчики частоты вращения. Указанные датчики обеспечивают дистанционное, бесконтактное преобразование частоты вращения вала в последовательность токовых импульсов. При этом вал оборудуется какими-либо "метками", которые и являются источниками импульсов, генерируемых датчиком. Чаще всего в качестве "меток" применяются зубья из ферромагнитного материала, реже - магниты и углубления на валу. Чем больше зубьев на валу - тем больше точность измерения и тем меньше частота вращения вала. Расстояние от датчика до вала не превышает 5 мм, высота зубьев не меньше 4 мм, а толщина не менее 5 мм.
Для контроля уровня жидкости в резервуарах, например, масла в маслобаках и аккумуляторах масла газоперекачивающих агрегатов, конденсата в емкостях слива применяются погружные и поплавковые сигнализаторы уровня.
Поплавковые сигнализаторы являются наиболее простыми по своему устройству: на нижнем конце установлен поплавок, находящийся в резервуаре, и при достижении требуемого уровня шток верхним концом воздействует на контакт, замыкая или размыкая его. Применяются также комбинированные сигнализаторы, у которых на верхнем конце штока устанавливается магнит или металлическая пластина, а в качестве чувствительного элемента используется геркон, ультразвуковой датчик и др.
Погружные сигнализаторы уровня характеризуются тем, что чувствительный элемент устанавливается непосредственно в измеряемую среду. Конструктивно погружные сигнализаторы выполнены в виде моноблока, состоящего из металлического корпуса, в верхней части которого расположен электронный преобразователь и усилитель, некоторые модели приборов имеют выносной вторичный преобразователь с релейным выходным блоком. В нижней части корпуса находится рабочая зона датчика, где расположен один или несколько чувствительных элементов.
Принцип действия ультразвукового сигнализатора (на примере датчика СУ-1) основан на изменении акустического импеданса чувствительного элемента в зависимости от контакта его с жидкостью с последующей обработкой сигнала и выдачи его в виде переключения "сухих" контактов. Датчик сигнализатора представляет собой цилиндр, на стенках окна датчика жестко закреплены два пьезокерамических элемента. Нижние обкладки пьезоэлементов электрически соединены с металлом корпуса датчика, который заземляется в общей схеме соединений. Противоположные обкладки пьезоэлементов подсоединяются к преобразователю. Преобразователь сигнализатора обеспечивает его механическое соединение в месте установки с фланцем емкости. Далее преобразователь соединен с блоком обработки информации, который формирует цепи питания, обработки и представления информации, поступающей с преобразователя.
Принцип действия емкостного сигнализатора (на примере СУМ-Г) основан на изменении параметров колебательного контура при воздействии контролируемой среды на емкостной чувствительный элемент, входящий в колебательный контур. Первичный преобразователь включает в себя генератор, колебательный контур, к которому подключается чувствительный элемент, детектор и параметрический стабилизатор напряжения. Вторичный преобразователь включает в себя трансформатор, искробезопасный блок, преобразователь с компаратором, усилитель с выходным реле, световую сигнализацию. Параметры схемы подобраны так, что при отсутствии среды на контролируемом уровне на колебательном контуре первичного преобразователя выделяется напряжение, меньшее амплитуды генерируемых колебаний. Повышение уровня контролируемой среды вызывает увеличение амплитуды колебаний на контуре из-за увеличения емкости чувствительного элемента. Снимаемое с контура напряжение высокой частоты преобразуется в постоянное, управляющее компаратором, уровень переключения которого устанавливается регулирующим элементом. Выходной сигнал компаратора управляет ключевым каскадом, нагрузкой которого является выходное реле.
Для контроля уровня токопроводящих жидкостей применяются сигнализаторы уровня с контрольным электродом в качестве чувствительного элемента. Электронная схема сигнализатора генерирует слаботочное напряжение, один полюс которого соединяется с электродом, а другой заземляется. Когда контрольный электрод соприкасается с контролируемой средой, электрическая цепь замыкается и через электрод и жидкость протекает электрический ток, который усиливается и выходные реле вторичного блока становятся под ток.