Приборы контроля параметров и системы противоаварийной защиты технологических процессов
Цель: изучить принципы работы аппаратурного оформления приборов автоматического контроля
Приборы и оборудование: контрольно-измерительные приборы температуры, контрольно-измерительные приборы давления, контрольно-измерительные приборы уровня.
Теоретические сведения.
Для измерения температуры используют изменение какого либо физического свойства тела,зависящего от его температуруы и легко поддающегося измерению.
К числу свойств,положенных в основу работы приборов для измерения температуры, относятся: объемное расширение тел, изменение давления вещества в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучения наггретых тел и др.
В зависимости от физических свойств, на которых основано действие приборов для измерения температуры, различают:
1. Термометры расширения, построенные по принципу изменени объема жидкости или линейных размеров твердых тел при изменениии температуры (применяются для измерения температуры от – 190 до +500 °C).
2. Манометрические термометры, при которых происходит изменение объема жидкости, газа или пара в замкнутом объеме при изменении температуры (применяются для измерения температуры от – 10 до +600 °C).
3. Термоэлектрические пирометры (термопары), происходит возникновение электродействующей силы при изменении температуры одного из спаев замкнутой цепи разнороднх термоэлектродов (применяются для измерения температуры от – 200 до +2000 °C).
4. Термометры сопротивления, изменение электического сопротивления проводника или полупроводника при изменении температуры(применяются для измерения температуры от – 200 до +650 °C).
5. Пирометры излучения, изменение интенсивности излучения нагретых тел в зависимости от изменения температуры (применяются для измерения температуры от – + 600 до +6000 °C).
Термопара представляет собой соединение двух проводников, изготовленных из разных металлов. Эти проводники называют термоэлектродами. Существуют также термопары из полупроводниковых материалов.
При нагревании места соединения (спая) в нём возникает термоэлектродвижущая (термо-ЭДС) сила, величина которой однозначно зависит от температуры нагрева. Почти любое сочетание двух разных металлов даёт термоэлектродвижущую силу при нагреве места соединения, однако для практических целей пригодны лишь немногие сочетания.
 |
| Рис. 1.1 Термопара |
Материалы, подбираемые для изготовления термопар, должны удовлетворять определённым требованиям, в том числе обладать неизменностью свойств и химического состава при рабочих температурах, достаточно высокой термо-ЭДС, иметь близкую к линейной зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры и способность протягиваться в проволоку. При этом проволоки, изготовленные из металла разных плавок, должны иметь одинаковые свойства.
Полностью этим условиям не удовлетворяет ни один из известных материалов. В зависимости от назначения термопары изготовляют из материалов, обладающих теми или иными качествами.
 | Рис. 1.2 Подключение термопары |
Самые точные и стабильные термопары составляют из благородных металлов: чистой платины и сплава платины и родия (платинородий). Термопары платина – платинородий применяют для точных лабораторных измерений и для технических измерений в особо ответственных технологических процессах. Максимальный предел измерения 1600 °С.
Технические термопары из неблагородных металлов имеют меньшую стабильность характеристик, сравнительно низкую предельную температуру, но обладают большей термоэлектродвижущей силой и значительно дешевле платиновых термопар.
Для технических измерений используют термопары: хромель – алюмель (ХА) и хромель – копель (ХК).
Иногда используют термопары медь – константан, медь – копель, железо – копель, которые не изготовляются в массовом количестве.
Термопары заключают в защитную арматуру, которая предохраняет их от повреждения.
Термоэлектродвижущая сила, возникающая в спае, очень мала, поэтому для работы в комплекте с термопарой используют высокочувствительные измерительные приборы: милливольтметры и потенциометры. Для соединения термопар с вторичными приборами используют термо-компенсационный провод.
Давление определяется отношение силы, равномерно распределенной по площади и нормальной к ней, к размеру этой площади. В зависимости от измеряемой величины приборы измерения давления делятся на:
1. манометры - измерение средних и избыточных давлений;
2. вакуумметры - измерение средних и больших разрежений;
3. мановакуумметры - измерение средних и избыточных давлений и разрежений;
4. напорометры - измерение малых избыточных давлений;
5. тягомеры - измерение малых разрежений;
6. тягонапоромеры - измерение малых давлений и разрежений;
7. дифманометры – измерение разности перепада давления;
8. барометры – измерение атмосферного давления.
По принципу действия различают следующие приборы для измерения давления: жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, радиоактивные.
Манометр– прибор, измеряющий давление жидкости или газа. Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трубко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.
Манометры подразделяются по классу точности (отношение наибольшей допускаемой погрешности измерений к пределу измеряемого давления). Чем меньше класс точности, тем точнее прибор.
 | Рис. 1.3 Схема манометра: 1 – трубка; 2 – зубчатое колесо; 3 – шкала; 4 – передаточный механизм – стрелка; 5 – зубчатый сектор. |
В зависимости от конструкции, чувствительности элемента различают манометры жидкостные, грузопоршневые, деформационные (с трубчатой пружиной или мембраной). Манометры подразделяются по классам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор).
Манометры в гидросистемах подключают при помощи вентиля манометра, выполненного по типу гидровентиля. Для измерения давления одним манометром поочередно в нескольких гидравлических линиях применяется переключатель манометра, обеспечивающий подвод к прибору давления от выбираемой магистрали.
Реле давления представляет собой предохранительный клапан, связанный с микропереключателем, к которому подключена сигнальная лампочка.
Уровнемеры для жидкостей по принципу действия делятся на указательные стекла, поплавкове, гидростатические, электрические и радиоактивные.
Указательные или уровнемерные стекла представляют собой вертикально расположенную стеклянную требку,в которой жидкость, как в сообщающихся сосудах, устанавливается на той же высоте, что и в аппарате.
В поплавковых уровнемерах чувствительным элементом является поплавок с меньшим (плавающим) или большим (погружной) удельнмы весом, чем жидкость. При изменение уровня жидкости происходит перемещение поплавка.
Гидростатические уравнемеры служат для измерения гидростатического давления столба жидкости,уровень которой определяется. Различают пьезометрический (использование давление воздуха или газа) и дифманометические (определение уровня по давлению измеряемого столба жидкости).
Электрические уровнемеры бывают емкостные и омические. В емкостных уровнемерах чувствительным элементом является конденсатор, обкладки которого распологаются с противоположных сторон вертикальной трубки из диэлектрика, соединенной с аппаратом подобно сообщающимся сосудам. Действие омических уровнемеров основано на измерении сопротивления между электродами соответствующей формы, введенными в жидкостью При этом сопротивление между электродом и корпусом или между двумя электродами и корпусом или между двумя электродами зависит от высоты уровня жидкости в аппарате.
Радиоактивные уровнемеры. Измерение уровня жидкости основано на измерении интенсивности поглащения γ-частиц при изменении уровня жидкости.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров.
| Рис. 1.4. Емкостной уровнемер: 1, 2 - электроды; 3 - электронный блок |  |
В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости.
Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.
Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков - погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1).
При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.
К основным факторам, характеризующим возможное развитие процесса горения на пожаре:
1) пожарная нагрузка;
2) массовая скорость выгорания;
3) скорость распространения пожара;
4) температура пожара;
5) интенсивность выделения тепла.
Пожарная нагрузка характеризует энергетический потенциал сгораемых материалов, приходящийся на единицу соответствующей площади. Она измеряется в единицах энергии или количества сгораемых материалов на единице площади.
Пожарная нагрузка помещения состоит из постоянной и временной. В зданиях пожарная нагрузка каждого этажа определяется отдельно и лимитируется соответствующими нормативами.
Массовая скорость выгорания – потеря массы горящего материала в единицу времени. Она зависит от отношения площади поверхности горения веществ к их объему, плотности упаковки, условий газообмена и других причин. Чем больше скорость выгорания, тем выше температура, развиваемая при пожаре.
Скорость распространения пожара определяется скоростью распространения пламени по поверхности горючего материала. Она зависит от многих факторов. Кроме того, она непостоянна во времени. На практике при проведении расчетов пользуются средними значениями этого параметра:
Скорость распространения пламени по поверхности материалов варьируется в широких пределах в зависимости от угла наклона этой поверхности к горизонтали. При угле наклона 90 градусов скорость распространения пламени вниз меньше указанных значений в 2 раза, а вверх – в 8–10 раз больше.
При увеличении температуры скорость увеличивается, а при достижении температуры самовоспламенения материалов их поверхность охватывается пламенем почти мгновенно.
Под температурой внутреннего пожара понимают среднеобъемную температуру газовой среды помещения, а для открытого пожара – температуру пламени.
Любой пожар сопровождается изменением характеристик окружающей среды, обусловленных развитием горения и возникновением конвективного теплового потока над его очагом. К таким характеристикам можно отнести: повышенную температуру окружающей среды, дым и продукты горения, а также световое излучение пламени. Автоматические пожарные извещатели сконструированы таким образом, чтобы реагировать на изменение одного или нескольких параметров пожара. В зависимости от вида контролируемого параметра они разделяются на тепловые, дымовые, пламени (световые), газовые и комбинированные извещатели. Автоматические пожарные извещатели преобразуют неэлектрические информационные параметры пожара в электрические сигналы, которыми достаточно свободно можно оперировать при переработке информации приемно-контрольными приборами. В соответствии с ГОСТ 12.2.047 автоматический пожарный извещатель - это устройство для формирования сигнала о пожаре, которое реагирует на факторы, сопутствующие пожару.
Для обеспечения эффективной работы системы автоматической пожарной сигнализации (АПС) необходимо определить влияющие на нее показатели пожарных извещателей. Номенклатура показателей состоит из нескольких групп (ГОСТ 4.188).
Показатели назначения:
Чувствительность или порог срабатывания определяются как минимальное значение величины контролируемого параметра, при которой происходит срабатывание автоматического пожарного извещателя (АПИ).
Инерционностью срабатывания АПИ является постоянная времени, так ее называют в некоторых литературных источниках. Инерционность - это время с момента воздействия на чувствительный элемент АПИ контролируемого параметра, величина которого равна или превышает порог срабатывания и до момента выдачи сигнала АПИ.
Контролируемая площадь - максимальная дальность действия, контролируемый объем. Для извещателей пламени в некоторых случаях также угол обзора.
Показатели надежности:
Средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы, вероятность возникновения отказа, приводящего к ложному срабатыванию и др. Все эти показатели характеризуют свойства безотказности и указывают в технической документации на изделия.
Чувствительный элемент пожарного извещателя и система обработки сигнала преобразуют контролируемый параметр в электрический сигнал, удобный для дальнейшей обработки и передачи.
Если пожарный извещатель преобразует входную информацию без дополнительного источника энергии, то он называется генераторным. Если для такого преобразования требуется дополнительный источник питания, то такой извещатель называется параметрическим. Очевидно, что параметрические извещатели выгодно отличаются от генераторных тем, что электрическая выходная величина может передаваться на значительные расстояния.
Весьма важной характеристикой извещателя является его чувствительность. Она характеризует способность извещателя реагировать на информационные параметры пожара и равна отношению приращения выходной величины к приращению входной величины извещателя. В АПИ рабочая точка выбирается таким образом, чтобы обеспечить нечувствительность к определенному значению параметра окружающей среды. Это делается в целях повышения уровня помехозащищенности и обеспечения надежности извещателя. Например, для тепловых пожарных извещателей, работающих на обрыв цепи, при достижении порога срабатывания рабочая точка выбирается равной 70 °С. Если ее выбрать равной температуре помещения или ниже ее, то извещатель будет выдавать ложные срабатывания.
Автоматические пожарные извещатели в зависимости от характера взаимодействия информационными характеристиками пожара можно разделить на три группы.
1-я группа - извещатели максимального действия. Они реагируют на достижение контролируемым параметром порога срабатывания. Максимальный тепловой пожарный извещатель - пожарный извещатель, формирующий извещение о пожаре при превышении температуры окружающей среды установленного порогового значения - температуры срабатывания извещателя.
2-я группа - извещатели которые реагируют на скорость нарастания контролируемого информационного параметра пожара. Такие извещатели называются дифференциальными. Таким образом, дифференцальный тепловой пожарный извещатель - пожарный извещатель, формирующий извещение скорости нарастания температуры окружающей среды выше установленного порогового значения.
3-я группа - извещатели, которые реагируют и на достижение контролируемым параметром заданной величины порога срабатывания, и на его производную. Такие извещатели называются максимально-дифференциальными.
По способу обнаружения пожара автоматические пожарные извещатели можно разделить на активные и пассивные. В основу работы активных извещателей положен принцип заполнения защищаемого помещения определенным видом энергии. При пожаре в помещении фокусируется изменение создаваемого поля и выдается сигнал тревоги. Пассивные точечные извещатели реагируют на характерные информационные свойства очага пожара в месте установки извещателя. В зависимости от способа восприятия изменения контролирующих параметров извещатели бывают точечные и линейные. Точечный пожарный извещатель (дымовой, тепловой) - пожарный извещатель, реагирующий на факторы пожара в компактной зоне (по СП 5.13139-2009). Линейный пожарный извещатель (дымовой, тепловой) - пожарный извещатель, реагирующий на факторы пожара в протяженной, линейной зоне (по СП 5.13139-2009).
Адресный пожарный извещатель - пожарный извещатель, который передает на адресный приемно-контрольный прибор код своего адреса вместе с извещением о пожаре (по СП 5.13139-2009).
Автоматический пожарный извещатель - пожарный извещатель, реагирующий на факторы, сопутствующие пожару (по ГОСТ 12.2.047).
Комбинированный пожарный извещатель - пожарный извещатель, реагирующий на два или более фактора пожара (по СП 5.13139-2009).
Контрольные вопросы:
1. Особенности управления потенциально пожароопасными технологическими процессами.
2. Принципы работы и характеристики основных приборов контроля параметров технологических процессов:
а) датчики давления;
б) датчики температуры;
в) датчики уровня.
3. Основные информационные параметры пожара.
Лабораторная работа № 2