Сопротивление Ro градуируют при 0оС. В Приложении Б показаны основные данные термосопротивлений.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
По выполнению контрольной работы
По курсу «Автоматизированные системы обслуживания
объектов нефти и газа»
г. Октябрьский, 2015
Общие указания
Студенты выполняют одну контрольную домашнюю работу, состоящую из двух частей: теоретической и практической.
При изложении материала и проведении необходимых расчетов нужно обосновывать правильность выбора исходных данных и методик, давать ссылки на используемые при этом литературные источники.
Контрольная работа выполняется в соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к оформлению курсовых заданий.
Контрольная работа выполняется машинописным или рукописным способом на одной стороне листа белой бумаги формата А4. Шрифт – TimesNewRoman, кегль – 14; межстрочный интервал – 1,5. Выравнивание текста по ширине страницы, используя перенос слов. Размер полей, не менее: правое – 10 мм, верхнее – 15 мм, нижнее – 20 мм, левое – 30 мм.
Контрольные работы, выполненные небрежно, с нарушением предъявляемых требований и не соответствующие заданному варианту, не зачитываются.
Структурные элементы контрольной работы:
- титульный лист;
- содержание;
- введение;
- основная часть (теоретическая и практическая);
- заключение;
- список использованных источников.
Основная часть:
Теоретическая часть.
Вариант задания выбирается по последней цифре зачетной книжки.
Объем ответа на каждый вопрос 3-5 стр.
Вариант 1 1. Объекты автоматизации в нефтегазовой отрасли. 2. Автоматизированные блочные установки подготовки нефти. 3. Технологический контроль в бурении скважин. |
Вариант 2 1. Выбор архитектуры и профиля автоматизированной системы. 2. Автоматическое измерение массы и качества товарной нефти. 3. Классификация буровой контрольно-измерительной аппаратуры, условия эксплуатации и требования к ней. |
Вариант 3 1. Разработка функциональной схемы автоматизации. 2. Автоматизация нефтеперекачивающих насосных станций. 3. Буровые автоматические системы. |
Вариант 4 1. Автоматизация процесса бурения. 2. Автоматизированные групповые измерительные установки. 3. Функциональная схема автоматизации низкотемпературного сепаратора. |
Вариант 5 1. Аппаратура для контроля параметров процесса бурения. 2. Основные элементы системы телемеханики. 3. Общие сведения о SCADA-системах. |
Вариант 6 1. Автоматизация эксплуатационных скважин. 2. Автоматизированные сепарационные установки. 3. Основные подсистемы SCADA-пакетов. |
Вариант 7 1. Функциональные схемы автоматизации скважин. 2. Автоматизация объектов установки низкотемпературной сепарации. 3. Телемеханизация технологических процессов добычи нефти и газа. |
Вариант 8 1. Автоматизация газовых скважин. 2. Автоматизированные блочные дожимные насосные станции. 3. DCS-системы. |
Вариант 9 1. Автоматизация процессов сбора и подготовки нефти. 2. Функциональная схема автоматизации первой ступени сепарации. 3. Фрикционные буровые автоматические регуляторы подачи инструмента. |
Вариант 0 1. 1. Объекты автоматизации. 2. 2. Автоматизация объектов абсорбционной осушки газа. 3. 3. Автоматические регуляторы подачи инструмента в бурении скважин на нефть и газ. |
Практическая часть.
Вариант задачи выбирается по предпоследней цифре зачетной книжки.
Решение:
Измерение температуры
1Термометры расширения действуют на основании способности жидкости изменять свой объем, а твердых тел – размер при изменении температуры.
Жидкостный термометр расширения состоит из резервуара, заполненного жидкостью (ртуть, спирт), капиллярной трубки и шкалы. Объем жидкости в зависимости от температуры определяется по формуле
V = V0 [ 1+ αV (Т– Т0)] (1)
где V и V0 – объемы жидкости при температурах Т и Т0, м3;
αV - коэффициент объемного расширения, 1/K.
Дилатометрический термометр расширения действует на основании использования теплового линейного расширения твердых тел (стержней, пластинок, спиралей). Линейные размеры стержня в зависимости от температуры определяются по формуле
l = l0 [1 +α l (Т – Т0)] (2)
где l и l0 – линейные размеры при температуре t и t0, м;
α l - коэффициент линейного расширения, 1/К.
Перемещение стержня с большим коэффициентом линейного расширения передается через рычажную передачу указательной стрелке. Относительное перемещение стрелки l, вызванное изменением температуры, находят по формуле
l = k l0αe Т, (3)
где k – отношение плеч рычага;
l0 – начальная длина стержня, м;
Т - изменение температуры, К.
2 Манометрический термометр состоит из чувствительного элемента – термобаллона, погруженного в измерительную среду, капиллярной трубки и трубчато-пружинного манометра. Все элементы соединены герметично, вследствие чего внутренняя полость термометра представляет собой замкнутое пространство, заполненное газом или жидкостью. При нагревании термобаллона в системе создается давление, которое вызывает перемещение механизма указателя.
В газовых термометрах термобаллон заполнен азотом, аргоном или гелием, и зависимость давления от температуры определяется по формуле:
Р = Р0 [ 1+ αV (Т – Т0)] (4)
где Р, Р0 – давление газа при температурах Т и Т0, Па;
α V - коэффициент объемного расширения газа, 1/К.
3 Термоэлектрический преобразователь (термопара) работает на основании возникновения термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников при наличии разности температур t и t0 соединений их концов.
Одно из соединений термопары (холодный спай) находится в среде с постоянной температурой, а другое (горячий спай) – в измерительной среде. Зависимость Е = f (t,t0) , близка к линейной и определяется материалами проводников термоэлектрической цепи. Для расчетов используются градуировочные таблицы значений Е= f (t,t0) при t0=0оС, которые приведены в приложении А.
Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0оС, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Её можно рассчитать по формуле:
tист = tи + k(tх – t0)], (5)
где tист и tи – истинное и измеренное значение температуры, оС;
tх и t0 - температура холодных спаев при измерении и градуировке
(t0 = 0оС);
k - поправочный коэффициент, значение которого приведено в приложении А.
Термопара работает в комплекте со вторичными приборами: милливольтметром и потенциометром.
Напряжение на выводах милливольтметра связано с термо-ЭДС соотношением
Et
U = (6)
1 + Rвн / RV
где Rвн – сопротивление измерительной цепи (термопары, соединительных проводов, контактов и т.д.), Ом;
RV - внутреннее сопротивление вольтметра, Ом.
4Термопреобразователи сопротивления служат для преобразования температуры в параметр электрической цепи (сопротивление). Они бывают металлические проволочные и полупроводниковые.
Металлические проволочные термосопротивления характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры: платиновые (ТСП) в диапазоне от 0о до 650оС
Rt = Ro (1+ α 1t + α2
t2), (7)
![]() |
где α 1 = 3,97 10-3 1/C температурные коэффициенты
α 2 = -5,85 10-7 1/C2 сопротивления
медные (ТСМ) в диапазоне от -50оС до 180оС
Rt = Ro (1+ α t t) (8)
где α t = 4,26 10-3 1/Cо.
Сопротивление Ro градуируют при 0оС. В Приложении Б показаны основные данные термосопротивлений.
Термосопротивления работают в комплекте со вторичными приборами: логометрами и измерительными мостами.
Схема уравновешенного моста приведена на рисунке 1. В одно из плеч моста включено термосопротивление. Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю. Условие равновесия моста определяется по формуле
R2Rt = R1R3 (9)
![]() |
Рисунок 1 – Схема уравновешенного моста
Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления Rt с помощью переменного резистора R3 добиваются равновесия моста. Указатель шкалы связан с подвижным контактом переменного резистора R3 (шкала отградуирована в оС).
Измерение давления
1Жидкостные манометры.
В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов. Действие их основано на уравновешивании измеряемого давления силой тяжести столба жидкости.
Для U-образного двухтрубного манометра давление определяется по разности уровней жидкости в трубах, в которые подаются атмосферное и абсолютное давления (или разность давлений)
Ризб = rgh (10)
P = P1 – P2 = rqh, (11)
где r - плотность заполняющей трубки жидкости, кг/м3
q - ускорение силы тяжести, м/с2.
Рисунок 2 – Жидкостный манометр
2Деформационные манометры действуют по принципу преобразования давления в перемещение упругого элемента. В зависимости от типа применяемых элементов различают мембранные, сильфонные, трубчато-пружинные манометры.
![]() |
1 – мембрана; 2 - рычаг; 3 – стрелка; 4 – шкала
Рисунок 3 – Деформационный манометр (мембранный)
Максимальное перемещение центра мембраны dmax, мм под действием давления (рисунок 3) определяется по формуле:
PD4
dmax = 0,17 (12)
16 EG h3
где ЕG – модуль упругости, Па;
D - диаметр мембраны, мм;
h - толщина мембраны, мм;
Р – давление, Па.
Максимальное допустимое механическое напряжение на мембране smax ,Па определяется по формуле
PD2
smax= 0,75 (13)
4h2
3Электрические преобразователи давления действуют по принципу преобразования давления в электрический сигнал. К таким преобразователям относятся пьезоэлектрические, тензометрические, емкостные.
В пьезоэлектрических преобразователях используется явление возникновения напряжения на гранях кристаллов при воздействии на них механического усилия или давления. Напряжение U, В на гранях пьезокристаллов определяется по формуле
1012 К Р S
U = (14)
Cвх/ n + Co
где К- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/н
( для кварца К = 2,2 10-12 Кл/н);
S – площадь поверхности кристалла, м2
Свх – емкость измерительной цепи, пФ;
Со – емкость кристалла, пФ;
n - число пластинок кристалла;
Р - давление, Па.
Емкость Со, пФ пьезокристалла определяется по формуле:
8,9 e S
С0 = (15)
h
где e - относительная диэлектрическая проницаемость для кварца e= 4,5);
h - толщина кристалла, м;
S - площадь пластины, м2.
В тензометрических преобразователях давления используется явление изменения сопротивления металлических проволочных и полупроводниковых резисторов при их деформации.
Обычно тензометрические датчики наклеивают на упругие элементы (например, мембраны) преобразователей давления и включают в мостовые измерительные схемы.
Относительное изменение сопротивления R линейно зависит от изменения длины
l и определяется по формуле
R Кq
l Кq F
= = (16)
R lS EG
где Кq - коэффициент тензочувствительности (0,5 – 2,5);
F - сила, приложенная к площади упругого элемента , кН;
ЕG – модуль упругости, ГПа;
S – площадь упругого элемента, мм2.
В емкостных преобразователях давления использовано явление изменения емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между его обкладками под действием давления.
Емкость плоского конденсатора С, Ф определяется по формуле
С = (17)
где eа – абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;
S – площадь пластины, м2;
d – расстояние между пластинами, м.