книги / Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами
..pdfсизоляцией их от проводящей кремниевой подложкир-п переходами
-технология “кремний на кремнии”, либо по гетероэпитаксиальной технологии “кремний на диэлектрике” на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно вли яние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компен сации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и термо резисторы).
По выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые. Основной парк действующих ИПД относится к ана логовым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой инфор мации поверх стандартного аналогового сигнала 4 -20 мА. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей
Foundation Field bus, Mod Bus, Profibus. При этом используется полностью цифровой протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых произво дителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный парал лельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232С.
ИПД различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре +25 °С от верхнего предела диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гисте резиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов из мерения), пределу дополнительной погрешности, допустимому
рабочему диапазону температур окружающей среды, динамическому диапазону измерения давлений, стабильности метрологических характеристик во времени (как процент предела диапазона измерения
втечение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.
7.5.4.Средства измерения расхода
Взависимости от принципа действия наиболее часто применя емые в народном хозяйстве расходомеры и счетчики жидкости, газа и пара могут быть классифицированы следующим образом.
1.Расходомеры переменного перепада давления. Принцип дейст вия этой группы расходомеров основан на зависимости перепада дав ления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым
втрубопроводе, или элементом трубопровода, от расхода вещества.
Красходомерам переменного перепада давления относятся расходомеры:
- с сужающим устройством (принцип действия основан на зависимости перепада давления, образующегося в сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую, от расходе^;
- с гидравлическим сопротивлением (принцип действия основан на зависимости перепада давления, образующегося на гидравлическом сопротивлении, от расхода);
- с напорным устройством (принцип действия основан на зависимости перепада давления, создаваемого напорным устройством
врезультате перехода кинетической энергии струи в потенциальную, от расхода);
- центробежные (принцип действия основан на зависимости давления, образующегося на закруглении трубопровода в результате действия центробежных сил в потоке, от расхода);
- струйные (принцип действия основан на зависимости пере пада давления, образующегося при ударе струи, от расхода) и др.
2.Расходомеры переменного уровня. У этих приборов уровень жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда зависит от расхода.
3.Расходомеры обтекания. У этих приборов перемещение тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, зависит от расхода вещества. К расходомерам обтекания относятся расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры, поплав ковые, пружинные), поплавково-пружинные, с поворотной лопастью.
4.Тахометрическиерасходомеры (принцип действия основан на зависимости скорости движения тела, установленного в трубопро воде, от расхода вещества). В эту группу входят: 1) камерные рас ходомеры с одним или несколькими подвижными элементами, от меривающими при своем движении определенные объемы жидкости или газа; к камерным расходомерам относятся шестеренчатые (с вращающимися шестернями), лопастные (с лопастями, совершаю щими сложное вращательно-поступательное движение), поршневые, роторные (с вращающимися роторами), винтовые (с роторами винто вой формы), кольцевые (с кольцевым поршнем, катящимся внутри цилиндрической камеры и одновременно движущимся вдоль перегородки) и др.; 2) турбинные с вращающейся крыльчаткой;
3)шариковые с движущимся шариком.
5.Электромагнитные расходомеры (принцип действия основан на зависимости результата взаимодействия движущейся жидкости с магнитным полем от расхода).
6.Акустические расходомеры, создающие зависимый от расхода акустический эффект в потоке. К этой группе приборов относятся ультразвуковые расходомеры, использующие звуковые колебания частотой свыше 2* 104 Гц.
7.Вихревые расходомеры (принцип действия основан на зависимости частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования, от расхода).
Кроме перечисленных, существует большое число расходомеров
исчетчиков жидкости, газа и пара, принципы действия которых основаны на других зависимостях (например, тепловые, оптические, ионизационные, меточные, парциальные и др.).
Воптических расходомерах измерение расхода производят по оптическому эффекту, сопровождающему процесс распространения света в измеряемом потоке. В качестве источников излучения применяют лазеры.
Ионизационными называют расходомеры, принцип действия которых основан на искусственной ионизации движущегося потока вещества, обычно газа, вызывающей возникновение ионизационного тока между электродами; величина тока зависит от расхода газа. Ионизация потока осуществляется изотопами или же с помощью электрического поля.
Парциальный метод измерения расхода позволяет с помощью небольшого расходомера или счетчика количества контролировать поток в трубопроводе большого диаметра. В парциальных расходо мерах измеряется определенная доля расхода основного потока, для ответвления которой используется перепад давлений (на сужающем устройстве или участке трубопровода) либо динамическое давление потока.
Термины и определения основных понятий, применяемых в области приборов для измерения расхода и количества жидких и газообразных сред, установлены ГОСТ 15528-70.
Расходомеры переменного перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления со стандартными сужающими устройствами получили широкое распространение. Причиной этого являются следующие их достоинства:
-универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных сред при самых различных давлениях и температурах;
-удобство массового производства. Индивидуально изготовля ется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе дифманометр и вторичный прибор, могут изготовляться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды;
-отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужаю щих устройств может быть определена расчетным путем.
Наряду с этим расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются сле дующие:
-квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высо кой погрешности измерения и затрудняет использование этих прибо ров для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах;
-ограниченная точность, причем погрешность измерения ко леблется в широких пределах (1,5 - 3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давле ния и температуры измеряемой среды.
Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и вместе установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства - перепад давления - зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.
Основы измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами и общие технические требования к расходомерным устройствам регламентируются Правилами РД 50-213-80.
При измерении расхода газов и жидкостей допускается приме нять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, соплах и трубах Вентури.
Расходомеры переменного уровня
Принцип действия расходомеров переменного уровня основан на зависимости между расходом и высотой уровня жидкости в сосуде, через который непрерывно протекает жидкость. Их обычно приме няют для измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкос тей, содержащих взвеси. Наибольшее распространение получили приборы с отверстиями истечения щелевой формы, распложенными в боковой стенке. Специальный профиль щели обеспечивает пропор циональность между расходом и высотой уровня в сосуде.
Преобразователь расхода щелевой типа ПРЩ предназначен для измерения массового расхода некристаллизующейся агрессивной жидкости, протекающей через первичный преобразователь. Плот
ность измеряемой среды должна быть в пределах от 0,97 до 1,8 г/см3, вязкость - не более 0,01 Па*с, температура - до 70 °С. Материал корпуса преобразователя - сталь 12Х18Н1 ОТ или сталь 06ХН28МДТ.
Давление воздуха в пьезометрической трубке уравновешивает гидростатическое давление измеряемой жидкости перед профили рованной щелью и воспринимается дифманометром, который преобразует его в стандартный пневматический сигнал 20 -100 кПа. Таким образом выходной сигнал дифманометра пропорционален расходу протекающей жидкости.
Пневматическая часть расходомера размещена в блоке управле ния, который входит в комплект поставки. Он представляет собой металлический шкаф размером 411 х 415 х 886 мм, его можно устанав ливать на расстоянии до 10 м от первичного преобразователя. В шкафу смонтированы дифманометр, воспринимающий давление в пьезо трубке, редукторы и контрольный стаканчик, через которые питаются пьезотрубка и дифманометр, а также манометры, контролирующие давление перед пьезотрубкой, на входе и на выходе дифманометра. Давление воздуха питания 0,25; 0,4 или 0,6 МПа. Расход воздуха в установившемся режиме не превышает 8 л/мин. Выходной сигнал дифманометра поступает ко вторичному прибору или устройству автоматического регулирования, которые можно устанавливать на расстоянии до 50 м от блока управления.
Расходомеры обтекания
К этим расходомерам относятся приборы, чувствительные эле менты которых обтекаются потоком. Наибольшее распространение получили расходомеры постоянного перепада давления, у которых перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе на всем диапазоне измерений с некоторым приближением можно считать постоянным. К этой группе приборов относятся ротаметры, широко применяемые для измерения малых расходов жидкости ц газа. Основными элементами ротаметра являются расширяющаяся кверху вертикальная конусная трубка и поплавок, находящийся в потоке измеряемого вещества. Равновесное состояние поплавка, соответ ствующее его определенному положению по вертикали, однозначно характеризует расход.
К основным преимуществам ротаметров можно отнести простспу конструкции, возможность измерения малых расходов, значительный
диапазон измерения, возможность измерения расхода агрессивных сред, достаточно равномерную шкалу. Недостатками ротаметров являются большая чувствительность к температурному изменению вязкости (особенно при малых расходах), невозможность измерения расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадает осадок.
Выпускают ротаметры для местного измерения расхода без дистанционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний без местной шкалы, с пневматической дистан ционной передачей и местной шкалой показаний. На заводе-изго- товителе ротаметры тарируются по воде или воздуху. Для других сред необходима индивидуальная тарировка. Ротаметры выпускают по ГОСТ 13045-81, они предназначены для измерения объемного расхода плавноменяющихся однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов с дисперсными включениями ино родных частиц. Верхние фактические пределы измерения ротаметров не должны превышать значений верхних пределов, указанных для каждого прибора, более чем на 20%, нижний предел измерения должен составлять не более 20% от верхнего фактического предела измерения.
При заказе ротаметра следует указать его тип, предел измерения, измеряемую среду, исполнение, категорию размещения и тип вторичного прибора.
Расходомеры жидкостей шариковые
Шариковыми называются тахометрические расходомеры, чувствительным элементом которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Структурная схема расходомера включает первичный преобразователь расхода и измерительный (вторичный) прибор. Первичные преобразователи состоят из шарикового преобразователя расхода и нормирующего преобразователя. Шариковые расходомеры нечувствительны к твердым включениям в измеряемой среде, а также к вибрации и ударным нагрузкам в широком диапазоне, они отличаются простотой конструкции и позволяют измерять расход пульсирующих потоков с амплитудой пульсации, меняющейся от нуля до максимального
значения расхода. Шариковые расходомеры выпускаются по ГОСТ 14012-76.
Электромагнитные расходомеры
В основу работы электромагнитных расходомеров положен закон электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересе кающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Выпускаются расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода и с электромагнитным преобразователем скорости потока. Процессы, протекающие в них, имеют одинаковую физическую основу.
Электромагнитные расходомеры могут применяться для измере ния больших расходов жидкости, их показания не зависят от парамет ров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, плотности), они обладают высоким быстродействием, имеют линейную шкалу и значительный диапазон измерения. С помощью этих приборов можно измерять расход агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп. Преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют движущихся элементов и сужений. В расходомерах применено переменное магнитное поле повышенной частоты (50 Гц), при котором практически устраняется влияние поляризации электродов на выходной сигнал преобразователя. Приборы применяют для измерения расхода жидкостей с удельной электропроводностью не менее 10'3 См/м, соответствующей электро проводности воды из водопроводной сети. Верхний предел удельной электрической проводимости 10 См/м.
К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести необходимость компенсации помех, возникающих при переменном поле в цепи электродов, а также то обстоятельство, что газы и такие жидкости, как масла, бензин и другие нефтепродукты, вследствие малой электропроводности остаются за пределами применения этих приборов. Вблизи преобразователя расхода, измерительного устрой ства или линии связи между ними не должно быть электросиловых устройств, создающих сильное электромагнитное поле.
При заказе расходомера следует указать его тип, диаметр услов ного прохода, вид покрытия первичного преобразователя, диапазон измерения.
Вихревые расходомеры
Вихревыми называют расходомеры, принцип действия которых основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Основными достоинствами этих при боров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, а также линейность шкалы в большом диапазоне измерения.
Преобразователь расхода ВИР предназначен для измерения расхода воды, он состоит из первичного преобразователя ППВР, выбираемого в зависимости от диапазона измерения расхода, и передающего преобразователя ПЧВР-5.
Температура измеряемой среды 5 - 9 5 °С, рабочее избыточное давление в трубопроводе не более 2,5 МПа. Нижний предел измерения равен 10% от верхнего.
В процессе развития науки и техники создаваемые человеком средства измерения становятся всё более сложными и требования, предъявляемые к ним, становятся всё более жёсткими. Датчики приобретают новые потребительские качества: упрощается обслужи вание, снижаются эксплуатационные и ремонтные расходы, умень шается время подготовительных работ перед началом эксплуатации, повышается надёжность и точность измерений.
7.6. Использование F ield B u s- технологий
при проектировании АСУТП
Основная цель построения распределенных систем автомати зации - удешевление и упрощение технологий и менеджмента производства и эксплуатации конечной системы за счет, в частности, обеспечения технологии сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов (датчики, регуляторы и т.п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости.
Во многих странах коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).
Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS-485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.
Стандартные и частные решения
Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к организации их эффективного и надежного взаимодействия. Там, где коммуникационные системы гомогенны (однородны), т.е. построены из устройств одного производителя, аппаратно-программные проблемы, как правило, решены. Но когда речь идет о построении систем с использованием устройств различ ных производителей, то неизбежно встают вопросы их совмес тимости.
Уникальные системы, то есть системны, работающие по уникаль ным протоколам связи и производимые и поддерживаемые одной компанией, получили название закрытых систем. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.
Успешное интегрирование в единую систему изделий от различ ных производителей позволяет использовать принципы открытых систем.
Применительно к промышленным сетям частные решения - это интеллектуальная собственность отдельных компаний, и использо вание таких технологий ограничивается необходимостью получения лицензионного права пользования. Другое дело - открытые системы, открытые технологии, открытые сет и.
Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:
-наличие полных опубликованных спецификаций с возмож ностью их приобретения за разумные деньги;
-наличие критического минимума доступных компонентов (интерфейсные кристаллы и готовые изделия) от ряда независимых поставщиков;
-организация хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.
Более коротко это можно сформулировать так: каждый желаю щий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или