Контроль температуры

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Учебное пособие

Казань 2007

А.Р. Герке, В.П. Ившин, М.Ю. Перухин, С.А. Семичёв, А.В. Фафурин, А.И. Хайрутдинов

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Учебное пособие

2 0 0 7

УДК 681.2: 66 (075.8)

Технические средства контроля в системах управления технологическими процессами: Учеб.пособие. / А.Р. Герке, В.П. Ившин, М.Ю. Перухин, С.А. Семичёв, А.В. Фафурин, А.И. Хайрутдинов;Казан. гос. технол. ун-т. 2007, 76с.

Предложен учебный материал в помощь студентам всех специальностей, проходящим лабораторный практикум на кафедре АИТ КГТУ по дисциплине “Системы управления химико-технологическими процессами”.

Подготовлено на кафедре автоматизации и информационных технологий КГТУ.

Табл. 4. Ил.37. Библиогр.: 9 назв.

Рецензенты: нач. отд. эталонов и эталонных средств измерений расхода газа ФГУП ВНИИР канд.техн.наук В.М. Красавин; доц. каф. АИТ В.В. Кузьмин

ã Казанский государственный технологический университет

СОДЕРЖАНИЕ

1. Контроль давления ………………..…………………………...8

1.1. Определение понятия «давление», и соотношение между единицами давления………………………….…………………...…8

1.2. Классификация приборов для измерения давления по виду измеряемого давления.………………………………………….…...9

1.3. Классификация приборов для измерения давления по принципу действия…………………………………….…….…..…10

1.4. Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента………………………………………………………….….11

1.5. Понятие «поверка» рабочего измерительного прибора….….11

1.6. Классификация погрешностей измерения……………………11

1.6.1.Случайная погрешность……………..………………...…12

1.6.2. Систематическая погрешность………..……………..…..12

1.6.3. Грубые погрешности……..…………………………..…..13

1.7. Абсолютная, относительная, приведённая погрешности измерительного прибора. Вариация показаний прибора………...14

1.8. Класс точности приборов…………………….………………..15

1.9. Устройство, принцип действия и область применения приборов с упругими чувствительными элементами…...…….…16

1.10. Возможные источники систематических погрешностей приборов с упругим чувствительным элементом……………..….17

1.11. Устройство и принцип действия грузопоршневого манометра МП – 60…………………………..………….………….18

1.12. Устройство и принцип действия датчика давления «Сапфир-22 ДИ»…………………………………………………....20

2. Контроль температуры ………………….………...…………22

2.1. Термоэлектрические преобразователи……………….……....22

2.1.1. Принцип измерения температуры термоэлектрическим методом. Конструкция термопары……………………..….......22

2.1.2. Типы стандартных термопар и диапазоны изменяемых температур для каждого их вида……………………………….23

2.1.3. Термопреобразователи с унифицированным токовым выходным сигналом. (ТХАУ)……………………………...…...25

2.1.4. Применение термоэлектродных проводов и их свойства………………………………………………………….25

2.1.5. Измерительные приборы применяемые комплексно с термопарами для измерения температуры…………...…….….26

2.1.6. Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра………………………………………………..26

2.1.7. Схема, исключающая, влияние отклонений температуры свободного спая термопары на показания милливольтметра, электронного потенциометра…………………………………..28

2.1.8. Сущность нулевого (компенсационного) метода измерения ТЭДС………………………………………………...29

2.1.9. Назначение всех элементов электронной функциональной схемы автоматического потенциометра…...31

2.2. Термопреобразователи сопротивления……….………..34

2.2.1. Принцип работы термопреобразователя сопротивления…………………………………...……………...34

2.2.2. Устройство платиновых и медных термопре-образователей сопротивления. Диапазон измеряемых темпе-ратур для каждого типа термопреобразователя сопро-тивления………………………………………………………....36

2.2.3. Отличие терморезисторов от металлических термопреобразователей сопротивления……………………….38

2.2.4. Градуировка термопреобразователя сопротивления. Градуировки технических платиновых и медных термо-преобразователей сопротивления……..………………..…..….38

2.2.5. Измерительные приборы, применяемые в комплекте с термопреобразователями сопротивления………………..........40

2.2.6. Уравновешенные мосты……………….……………...….42

2.2.7. Преимущества трехпроводной схемы подсоединения термопреобразователя сопротивления…………………….......43

2.2.8. Автоматический уравновешенный мост. Назначение основных элементов схемы. Принцип работы прибора…….……………….…..44

2.2.9. Неуравновешенные мосты……………..………………...46

2.2.10. Термопреобразователи с унифицированным токовым выходным сигналом.(ТСПУ, ТСМУ)…………………………47

3. Контроль расхода ………………………………..……………49

3.1.Физический смысл понятий «расход» и «количество»……....49

3.2. Приборы для измерения расхода и количества вещества……………………………………………………..………49

3.3. Основные принципы измерения расхода…………………….50

3.4. Классификация приборов для измерения расхода и количества……………………………………………………….….51

3.5. Градуировочная характеристика средств измерения………..52

3.6. Сущность измерения расхода по методу переменного перепада давления…………………………………….……………53

3.6.1. Типы сужающих устройств, регламентированные РД 50-213-80…………………………………………………….55

3.6.2. Схема установки для определения расхода воды методом переменного перепада давлений…………………….57

3.6.3. Источники возможных погрешностей комплекта – расходомера при измерении расхода методом переменного перепада давлений………………………………………………60

3.7. Расходомеры обтекания…….………………………….……...61

3.7.1. Устройство и принцип действия промышленного поплавкового расходомера типа РЭ…………………………...63

3.7.2. Схема установки для определения расхода посредством расходомера постоянного перепада давления и его градуировки……………………………………..……………....64

3.8. Кориолисовы (массовые) расходомеры…………………..66

4. Контроль уровня ……………………….……………………..68

4.1. Методы измерения уровня жидкости, применяемые в химической промышленности……………………………….…….68

4.2. Принцип работы гидростатического уровнемера. Дифманометр типа ДМ…………………………………….………69

4.3. Принцип работы емкостного уровнемера……….…...………71

4.4. Методы измерения сыпучих сред……………………….……72

4.5. Радарные измерители уровня…………………………….…...72

Библиографический список………………………………………75

Контроль давления

1.1. Определение понятия «давление», и соотношение между единицами давления

Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления часто зависит правильность протекания процесса химического производства. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 1).

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление P_а — давление, отсчитанное от абсолютного нуля. Избыточное давление р_и представляет собой разность между абсолютным давлением P_а и барометрическим давлением Р_б (т. е. давлением воздушного столба земной атмосферы):

Р_и = Р_а — Р_б.

Если абсолютное давление ниже барометрического, то

Р_В = Р_б — Ра,

где P_в — разрежение [1-2].

Единицы измерения давления: Па (Н/м²); кгс/см²; мм вод. ст.;

мм рт.ст.

Таблица 1

Соотношение между единицами давления:

1.2. Классификация приборов для измерения давления по виду измеряемого давления

Приборы для измерения давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа)

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (до -40 кПа);

е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры - для измерения барометрического давления атмосферного воздуха [1];

1.3. Классификация приборов для измерения давления по принципу действия

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:

а) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

в) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменение электрических свойств материала под действием давления.

1.4. Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы [1-2]:

1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные (рис. 1 а,б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана (рис. 1 в), анероидная или мембранная коробка (рис. 1 г,д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 1 е,ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 1 з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 1 к);

5) пружинно-сильфонные (рис. 1 и);

Рис. 1. Типы пружинных устройств

1.5. Понятие «поверка» рабочего измерительного прибора

Поверка рабочего измерительного прибора - операция сравнения его показаний с показаниями образцового измерительного прибора при прямом и обратном ходе. Цель поверки - определение погрешностей рабочего прибора или поправок к его показаниям. При этом показания образцового прибора принимаются за действительные значения измеряемой величины [3].

1.6. Классификация погрешностей измерения

Любое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, его результат всегда содержит некоторую ошибку. В задачу измерений входит не только измерение контролируемой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности. Статические погрешности измерения в зависимости от причин проявления принято подразделять на случайные, систематические и грубые [1].

1.6.1. Случайная погрешность

Случайныминазываются погрешности, не подчиняющиеся какой-либо известной закономерности. Они возникают в результате влияния на процесс измерения случайных факторов (вибрация прибора, влияние посторонних электромагнитных полей, физиологические изменения органов чувств наблюдателя и т.п.). Случайные погрешности всегда присутствуют в эксперименте; они в равной степени могут быть как положительными, так и отрицательными. Случайные погрешности не могут быть исключены опытным или расчетным путем. Для учета влияния случайных погрешностей на результат измерения одну и ту же величину измеряют многократно. К ряду значений применяют законы теории вероятностей и методы статистики, на основании которых учитывают влияние случайных погрешностей на результат измерения [1-2].

1.6.2. Систематическая погрешность

Систематическая погрешностьэто составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудным моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая погрешность исключается из результата введением поправки. В зависимости от причины возникновения различают следующие погрешности:

· Погрешность метода (теоретическая погрешность) измерений – составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Здесь необходимо учитывать тот факт, что метод измерения, по определению, включает в себя и принцип измерения. Рассматриваемая погрешность определяется в основном не совершенством принципа измерения и, в частности, недостаточной изученностью явления, положенного в основу измерения.

· Инструментальная погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешности применяемых средств измерений. Данная погрешность имеет несколько составляющих, наиболее важные из которых определяются несовершенством конструкции (или схемы), технологии изготовления средств измерений, постепенным их износом и старением материалов, из которых эти средства измерения изготовлены.

· Погрешность установки является следствием неправильности установки средств измерений.

· Погрешность от влияющих величин является следствием воздействия на объект и средством измерения внешних факторов (тепловых и воздушных потоков, магнитных, электрических, гравитационных, и других полей, атмосферного давления, влажности воздуха, ионизирующего излучения). [8]

· Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее являются укоренившиеся неправильные навыки выполнения измерений. К этой систематической погрешности относятся, например, погрешность из-за неправильного отсчитывания десятых долей делений шкалы прибора, погрешности из-за различной скорости реакции людей и т.п.

1.6.3.Грубая погрешность

Грубыми (промахами) называются погрешности, которые явно искажают результат измерения. Эти погрешности получаются, например, из-за неправильной записи результатов измерения, неверной схемы включения прибора и т. п. Измерения, содержащие грубые погрешности, исключаются из ряда измерений по соответствующему критерию.

Погрешности, приведенные в п.1.6., имеют место, как при статических, так и при динамических измерениях. Погрешности, возникающие при этих измерениях принято называть соответственно статическими или динамическими.

1.7. Абсолютная, относительная, приведённая погрешности измерительного прибора. Вариация показаний прибора

Абсолютной погрешностью измерительного прибора называется разность между его показанием и истинным значением измеряемой величины. Так как истинное значение измеряемой величины установить невозможно, в измерительной технике используется так называемое действительное значение, полученное с помощью образцового прибора [1-2].

Абсолютная погрешность: Δ = Х_п — Q₀ ,

где Х_п — значение, полученное при измерении величины рабочим измерительным прибором; Q₀ — действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность измерительного прибора - это отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в %:

.

При вычислении относительной погрешности абсолютную погрешность можно также относить к показанию рабочего прибора X_п.

Если прибор работает в условиях, отличных от условий, оговоренных в паспорте, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная погрешность, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной; инструментальная погрешность, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения и т.п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20° С, а за нормальное атмосферное давление - 101325 Н/м² (760 мм рт. ст.).

Приведённая относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению:

,

где Х _норм - чаще всего диапазон шкалы измеряемого прибора

Вариацией измерительного прибора DNназывается наибольшая экспериментально полученная разность между показаниями измерительного прибора при прямом и обратном ходе, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при одинаковых условиях измерения. Вариации вызываются трением в механизме прибора, зазорами (люфтами) в кинематических парах, гистерезисом и упругим после­действием чувствительных элементов прибора. Таким образом, DN - это абсолютная вариация прибора.

Приведенная вариация прибора e:

,

где ΔN – абсолютная вариация прибора; N_max и N_min – соответственно верхнее и нижнее предельные значения шкалы прибора.

1.8. Класс точности приборов

Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерения, влияющими на точность, значение которых устанавливается в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств. Например, класс точности вольтметра характеризует пределы допускаемой основной погрешности и допускаемых изменений показаний, вызываемых внешним магнитным полем и отклонением от нормальных значений температуры, частоты переменного тока и некоторых других влияющих факторов [1-2].

В настоящее время в нашей стране используются два вида классов точности: 1) по абсолютным погрешностям (порядковые номера классов); 2) по относительным приведенным погрешностям (отношение абсолютной погрешности Δ к диапазону шкалы прибора, выраженное в процентах).

Государственными стандартами для разных приборов установлены различные классы точности. Класс точности обозначается на циферблате прибора либо в паспорте прибора.

Согласно ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68) классы точности выбираются из ряда:

К=(1;1.5;2.0;2.5;3.0;4.0;5.0;6.0)*10ⁿ,

где n=1,0,-1,2....

Средства измерений с двумя и более шкалами могут иметь соответственно два и более классов точности.

1.9. Устройство, принцип действия и область применения приборов с упругими чувствительными элементами

Действие пружинных приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора [1-2].

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной — согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 2). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 2).

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы F=P*S, где S=площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Рис 2. Схема трубчатой пружины (а) и ее

эллипти­ческое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения:

1 — трубка; 2 — держатель

1.10. Возможные источники систематических погрешностей приборов с упругим чувствительным элементом

Возможные источники систематических погрешностей могут быть следующими:

· Переход за предельное по шкале давление при измерении, хотя бы один раз за всё время измерений. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещениями конца трубки (чувствительного элемента) и давлением, называется пределом пропорциональности трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения.

· Механическая характеристика трубки, т.е. значение предела пропорциональности и величина перемещения свободного конца, зависит от ряда факторов, из которых наиболее важными являются отношение осей сечения трубки, толщина ее стенок, модуль упругости материала и радиус дуги изгиба трубки.

· Трение трубки о внутренние части прибора в результате их поломки.

· Периодическое изменение температуры при измерениях. Материал трубки по-разному сжимается и разгибается в зависимости от температуры [1-2].

1.11. Устройство и принцип действия грузопоршневого манометра МП -60

Грузопоршневые манометры в основном применяются для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений — от 0,098 до 980 МН/м² (1—10000 кгс/см²) [1].

Принцип действия грузопоршневых манометров следующий. На поршень, свободно движущийся в цилиндре, действуют две силы: сила от давления жидкости, с одной стороны, и сила тя­жести положенных на поршень грузов - с другой.

Образцовый грузопоршневой манометр (рис. 3) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора. В колонке имеется вертикальный цилиндрический канал, в котором движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром.

Рис.3. Схема образцового поршневого манометра:

1 — колонка; 2— поршень; 3 и 5 — воронки; 4 — бобышки;

5 — канал; 6 — тарелка; 7 — поршень; 9 и 13 —вентили

В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, предназначенных для укреп­ления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом.

Каналы для отсоединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9 — 12. Назначение вентиля 13 — спуск масла из прибора. Максимальное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м² (50 кгс/см²). Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качестве при­бора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединят к одной из бобышек 4, аповеряемый прибор — к другой бобышке.

1.12. Устройство и принцип действия датчика давления «Сапфир-22 ДИ»

Датчик САПФИР-22ДИ (рис. 4) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов - способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.

Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления [4].

Контроль температуры