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+ α_V (Т– Т₀)] (1)

где V и V₀ – объемы жидкости при температурах Т и Т₀, м³;

α_V - 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 l₀α_e 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+ α_V (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=0^оС, которые приведены в приложении А.

Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0^оС, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Её можно рассчитать по формуле:

t_ист = t_и + k(t_х – t₀)], (5)

где t_ист и t_и – истинное и измеренное значение температуры, ^оС;

t_х и t₀ - температура холодных спаев при измерении и градуировке

(t₀ = 0^оС);

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

E_t

U = (6)

1 + R_вн / R_V

где R_вн – сопротивление измерительной цепи (термопары, соединительных проводов, контактов и т.д.), Ом;

R_V - 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 0^о до 650^оС

R_t = R_o (1+ α ₁t + α₂t²), (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 -50^оС до 180^оС

R_t = R_o (1+ α _t t) (8)

где α _t = 4,26 10^-3 1/C^о.

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

R₂R_t = R₁R₃ (9)

Рисунок 1 – Схема уравновешенного моста

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления R_t 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)

Р_изб = 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 d_max, мм под действием давления (рисунок 3) определяется по формуле:

PD⁴

d_max = 0,17 (12)

16 E_G h³

где Е_G – модуль упругости, Па;

D - диаметр мембраны, мм;

h - толщина мембраны, мм;

Р – давление, Па.

Максимальное допустимое механическое напряжение на мембране s_max ,Па определяется по формуле

PD²

s_max= 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)

C_вх/ n + C_o

где К- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/н

( для кварца К = 2,2 10^-12 Кл/н);

S – площадь поверхности кристалла, м²

С_вх – емкость измерительной цепи, пФ;

С_о – емкость кристалла, пФ;

n - число пластинок кристалла;

Р - давление, Па.

Емкость С_о, 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 К_q l К_q F

= = (16)

R lS E_G

где К_q - коэффициент тензочувствительности (0,5 – 2,5);

F - сила, приложенная к площади упругого элемента , кН;

Е_G – 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 e_а – абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;

S – площадь пластины, м²;

d – расстояние между пластинами, м.