Общие сведения о средствах измерений и контроля 3 страница
С помощью пирометров спектрального отношения ГЖТПС-2 можно измерить температуру поверхности непрерывного литого слитка (МНЛЗ) или полосы (стан горячей прокатки) по ширине.
Сканирующая головка пирометрического датчика (рис. 2.17) содержит объектив и призму, позволяющую выделить узкие спектральные области вблизи волн , , и координатно-чувствительные фотоприемники на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС). Считываемые с матриц цифровые данные являются исходной информацией для расчета температуры поверхности металла. Температура вдоль линии измерения рассчитывается по специальному алгоритму с помощью компьютера на основе отношений интенсивностей излучения для длин волн , , .
Рис.2.17. Схема сканирующей головки пирометрического датчика пирометра ПКТПС-2: 1 - слиток; 2 - объектив; 3 - линия измерения температуры; 4 - ПЗС; 5 - призма
Для защиты чувствительного элемента от воздействия высокой температуры окружающей среды (например, при контроле температуры поверхности непрерывного литого слитка на МНЛЗ) пирометрический датчик размещается в корпусе, имеющем систему охлаждения - термостатирование. Холодильник является специальным полупроводниковым устройством, работающим по принципу элемента Пельтье.
Для контроля и сигнализации наличия пламени в горелочных устройствах используются специальные преобразователи.
В качестве датчиков пламени применяются фотоэлектрические, ионизационные, ультрафиолетовые, телевизионные и другие чувствительные элементы.
Глава 3. Нормирующие измерительные преобразователи
Нормирующие измерительные преобразователи предназначены для преобразования выходного сигнала первичных преобразователей в унифицированный сигнал постоянного тока. Нормирующие преобразователи, применяемые для преобразования выходного сигнала первичных преобразователей, называют также промежуточными. Благодаря стандартизации входных и выходных сигналов упрощается синтез систем контроля и управления, повышается надежность и точность передачи информации. В качестве стандартных электрических сигналов приняты сигналы в диапазонах 0-5, 0-20, 4-20 мА постоянного тока, 0±10 В постоянного и переменного напряжения. Преобразователи этого типа представляют собой замкнутые статические системы, охваченные глубокой отрицательной связью. Принцип действия нормирующих преобразователей основан на частичной компенсации входного сигнала сигналом отрицательной обратной связи, получаемой с выхода усилительного элемента, имеющего большой коэффициент передачи. На рис. 3.1 показана структурная схема компенсационного метода преобразования в стандартный сигнал.
Рис. 3.1. Структурная схема нормирующего преобразователя
Входной сигнал X в блоке сравнения 1 алгебраически суммируется с сигналом отрицательной обратной связи Хос и результирующий сигнал компенсации ΔХ = Х-Хос поступает на вход усилителя 2, имеющего коэффициент передачи К.
Коэффициент передачи звена обратной связи . По правилу соединения встречно-параллельных звеньев выходной сигнал может быть представлен в виде
(3.1)
а относительная погрешность преобразования, %
. (3.2)
Выражение (3.2) показывает, что δ зависит от значений коэффициентов передачи усилителя и звена обратной связи: чем больше величина , тем меньше ошибка устройств подобного типа.
Существует несколько типов нормирующих приборов, преобразующих сигналы напряжения и сопротивления в стандартный ток. Они используются для преобразования естественных сигналов термоэлектрических термометров, пирометров, термометров сопротивления и других средств в стандартный токовый сигнал. В качестве примера рассмотрим схему нормирующего преобразователя, работающего в комплекте с термоэлектрическими термометрами (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Упрощенная схема нормирующего преобразователя
Преобразователь предназначен для линейного преобразования термо-ЭДС термометра E(t,t0) в сигнал постоянного тока 0-5 мА при сопротивлении внешней нагрузки RH=2,5 кОм. Преобразователь состоит из корректирующего моста МК, усилителя с токовым выходом Iвых, устройства обратной связи, состоящего из усилителя обратной связи УОС и резистора RОС. Резисторы корректирующего моста МК R1, R2, R3 выполнены из манганина, а резистор RM, который обычно располагают в непосредственной близости от свободных концов термоэлектродных проводов, - из меди.
Преобразователь этого типа выполнен по статической автокомпенсационной схеме. Входной сигнал термоэлектрического термометра, скорректированный напряжением Uab, снимаемым с вершин моста ab [Ux= E(t,t0)+ Uab], сравнивается с напряжением обратной связи Некомпенсированный сигнал ΔU =Ux-Uoc усиливается усилителем с токовым выходом. Выходной ток 1вых поступает во внешнюю цепь RH и подается в усилитель УОС устройства обратной связи. Токи на выходе и входе усилителя устройства обратной связи строго пропорциональны между собой. Выходной ток усилителя обратной связи создает на резисторе R^ сигнал обратной связи
где Кос - коэффициент передачи УОС.
Для усилителя с обратной связью
(3.3)
откуда
(3.4)
где К- коэффициент передачи преобразователя.
При большом коэффициенте передачи усилителя (Ку ->оо) коэффициент передачи преобразователя равен
а его стабильность определяется стабильностью Кос и Roc
Широкое распространение получили следующие разновидности нормирующих преобразователей.
Измерительные преобразователи концерна "Метран" (Челябинск) НП-02, НП-03, Ш 9321 и Ш 9322 являются одноканальными функциональными устройствами. Они обеспечивают преобразование сигналов от датчиков температуры в унифицированные выходные сигналы постоянного тока. Дополнительно в приборах Ш 9321 и Ш 9322 имеются двухпозиционные устройства с релейным выходом для сигнализации о выходе измеряемых параметров за пределы уставок и обрыва линии связи с датчиками.
Нормирующие преобразователи серии НП-П10, НП-Р10, НП-Н10 АО "ЗЭ- иМ" (Чебоксары) предназначены для преобразования естественных сигналов низкого уровня в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока.
Назначение приборов: НП-П10 - нормирующий преобразователь сигналов дифференциально-трансформаторных датчиков; НП-Р10 - преобразователь сигналов потенциометрических датчиков; НП-Н10 - устройство преобразования сигналов напряжения постоянного тока.
Многоканальные измерительные преобразователи ИП-Т20, ИП-С20 применяются для преобразования сигналов термопар и термометров сопротивления в последовательный цифровой код (интерфейс RS-485). Отличительные особенности: линейная зависимость значения выходного кода от измеряемой температуры; гальваническое разделение между каналами по входному сигналу, входа от выхода и от цепей питания, наличие встроенного устройства компенсации влияния термо-ЭДС свободных концов термопары (для НП-Т20); сообщение об обрыве цепи датчика по интерфейсу; количество каналов измерения - 4 и др.
В настоящее время НПФ "Сенсорика" выпускает нормирующие преобразователи серии Ш 932 в составе нескольких групп, отличающихся конструктивными или функциональными особенностями (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Нормирующие преобразователи серии Ш 932
Состав серии:
Ш 9321, Ш 9321 Ц, Ш 9322, Ш 9322 Ц - высокоточные преобразователи щитового исполнения для термометров сопротивления (Ш 9321, Ш 9321 Ц) и термоэлектрических преобразователей (Ш 9322, Ш 9322 Ц). Данная группа преобразователей выполнена на основе цифровых методов обработки сигналов, что обусловило их высокую точность, надежность и стабильность характеристик в условиях эксплуатации;
Ш 9321 А, Ш 9322 А - преобразователи средней точности щитового исполнения для термометров сопротивления (Ш 9321 А) и термопар (Ш 9322 А). Указанные преобразователи являются упрощенным вариантом предыдущей группы преобразователей. Они могут питаться как от сети -220 В, 50 Гц, так и от источника постоянного напряжения 24 В, и выпускаются в одно- или двухканальном исполнении;
Ш 9323, Ш 9324 - преобразователи щитового исполнения для дифференциально-трансформаторных датчиков (Ш 9323) и реохордных (потенциометрических) датчиков (Ш 9324). Конструктивно унифицированы с двумя предыдущими группами преобразователей;
Ш 9321 М, Ш 9322 М - модульные преобразователи для крепления на DIN- рейку, предназначены для термометров сопротивления (Ш 9321 М) и термопар (Ш 9322 М). Питание производится от источника постоянного напряжения 24 В или группового блока питания БПМ-24.
На последующих рисунках приведены общие виды нормирующих преобразователей и схемы подключения.
Преобразователь Ш 9321 предназначен для работы с термопреобразователем сопротивления. Прибор Ш 9321 И имеет искробезопасные входные цепи уровня "ia" и предназначен для работы с ТС, эксплуатирующимися во взрывоопасных условиях.
Рис. 3.4. Общий вид нормирующего преобразователя Ш 9321
Особенности преобразователя: линейная зависимость выходного сигнала от измеряемой температуры; гальваническое разделение входных и выходных цепей; сигнализация о выходе измеряемой температуры за пределы заданных уставок; сигнализация обрыва цепи датчика; подключение ТС по двух-, трех- или че- тырех-проводной схеме.
На рис. 3.5 приведена схема подключения преобразователя Ш 9321.
Рис. 3.5. Схема подключения Ш 9321
В модульном нормирующем преобразователе Ш 9322 М реализована дополнительная функция компенсации температуры холодного спая ТП. На рис. 3.6 по казан общий вид Ш 9322 М, а на рис. 3.7 - схема подключения.
Рис. 3.6. Общий вид Ш 9322 М
Рис. 3.7. Схема подключения Ш 9322 М
Глава 4. Измерение давления и разности давлений
Контроль за протеканием большинства технологических процессов связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред.
Давление - один из важнейших термодинамических параметров энергоносителя, и его измерение необходимо как в расчетных теплотехнических целях - для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических - для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых в энергоснабжении предприятия.
4.1. Давление, его виды и единицы измерения
Давлением Р называют отношение абсолютного значения нормального, т.е. действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности: P=F/S. Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение дает точное значение давления в каждой ее точке, в противном же случае - только его среднее значение (точное значение меняется от точки к точке и определяется пределом отношения ΔF/ΔS, где ΔF - сила, приложенная к бесконечно малому элементу площади ΔS). В отличие от силы, значение которой зависит от размеров поверхности ее приложения, давление позволяет при рассмотрении взаимодействия физических тел исключить фактор площади, поскольку давление является удельной, т.е. отнесенной к единице площади, силой.
Жидкие и газообразные среды характеризуются свойствами упругости - обратимого изменения объема (т.е. его уменьшения при сжатии среды под давлением и восстановления исходного объема при снятии давления) и текучести - обратимого изменения формы. В этих средах различают давление внешнее, или поверхностное - на границе, или поверхности среды, и внутреннее - внутри, в объеме или массе среды. Природа внешнего и внутреннего давления газовой среды носит тепловой характер: беспорядочные столкновения находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом и с ограничивающей среду поверхностью приводят к непрерывному изменению кинетической энергии молекул (их импульса движения) и появлению согласно основному закону динамики сил, которые проявляются как силы упругости и причина давления. Газы не имеют собственного объема, они занимают весь объем предоставленного им замкнутого пространства и допускают сжатие внешними силами во много раз. В обычных, не экстремальных по давлению и температуре условиях реальные газы ведут себя как идеальные: с молекулярной точки зрения в этих условиях можно пренебречь как размерами молекул по сравнению с расстояниями между ними, так и потенциальными силами взаимодействия между молекулами - межмолекулярными силами. Установлено, что давление газа пропорционально концентрации молекул или плотности среды ρ=M/V (массе М молекул в единице объема V и их средней кинетической энергии). При изотермическом (при постоянной температуре) процессе изменения объема газа и неизменной его массе давление газа прямо пропорционально его плотности Р/ ρ =const или обратно пропорционально объему PV=const (закон Бойля-Мариотта). С ростом температуры давление идеального газа прямо пропорционально его абсолютной температуре PV/T=const (уравнение газового состояния). В жидких средах в отличие от газов расстояния между молекулами сравнимы с размерами молекул, поэтому внутреннее давление жидкой среды имеет по крайней мере две составляющие: потенциальную, или "холодную", обусловленную силами межмолекулярного отталкивания-притяжения, и кинетическую, или тепловую, связанную с тепловыми колебаниями молекул и атомов среды. Жидкости в силу плотной молекулярной упаковки при обычных давлениях
практически несжимаемы (сжатие составляет тысячные доли процента от исходного объема при двукратном увеличении внешней силы), но обладают, как и газы, текучестью. Силы давления жидкой или газообразной среды - это силы ее упругости, проявляющиеся при сжатии среды и действующие на соприкасающуюся с ней поверхность тела (жидкости и газы упруги только к изменению объема, но не формы в отличие от твердых тел).
Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне к поверхности S, передается внутрь среды без изменений (рис. 4.1) равномерно во все стороны.
Рис. 4.1. Силы давления в жидкой и газообразной средах
Оно направлено перпендикулярно любой внутренней площадке среды ΔS, не зависит от ее формы и положения в среде, а сила давления пропорциональна величине выделенной площадки (закон Паскаля). Очевидно, что P=F/S=ΔF/ΔS для любой точки среды. Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды, в частности, от положения точки измерения относительно горизонтальных плоскостей - поверхностей равного давления, уровень или высота погружения которых в среду определяет весовую составляющую внутреннего давления - гидростатическое давление. Закон Паскаля справедлив не только для покоящихся, но и движущихся сред, если их можно считать идеальными (отсутствие трения между слоями среды - вязкость). В вязких же движущихся средах внутреннее давление зависит от направления в среде, поэтому под внутренним давлением среды понимают его усредненное значение по трем взаимно перпендикулярным направлениям в точке измерения.
Полное внутреннее давление в движущейся среде горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напорного давления, также потерями давления на сопротивлениях по длине трубы (из-за шероховатостей стенок и трения) и на местных сопротивлениях - изгибах, задвижках, диафрагмах - из-за изменения
значения и направления потока (вихревые потери). В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений (скоростные характеристики
потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды).
На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 4.2): уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления - идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды; уровня атмосферного, или барометрического, давления (ДБ).
Рис. 4.2. Виды измеряемых давлений
Давление, измеряемое относительно вакуума, называют абсолютным давлением (ДА). Барометрическое давление - это абсолютное давление земной атмосферы (зависит от конкретных условий измерения - температуры воздуха и высоты над уровнем моря). Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разряжения, вакуумметрическим (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ - ДВ. Разность давлений сред, измеряемую в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, называют дифференциальным давлением.
4.2. Единицы измерения давления
В Международной системе единиц (СИ) единицей силы является Н (Ньютон) - сила, сообщающая телу массой 1кг ускорение 1м/с , а единицей площади – м2. Отсюда определяется единица давления паскаль (1 Па=1 Н/м ) и ее производные - килопаскаль и мегапаскаль.
Наряду с системой СИ в области измерения давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы, в технической системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) сила определяется как килограмм-сила (кгс) - сила, сообщающая телу массой 1кг ускорение земного тяготения g=9,8 м/с (1 кгс «9,8 Н). Единицы давления в МКГСС - кгс/м2 и кгс/см2 (последняя единица получила название технической, или метрической атмосферы - ат). В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение атн. В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (дин) – это сила, сообщающая телу массой 1г ускорение 1см/с2 (очевидно, что 1Н=105 дин).
На базе дины ведены системная (в рамках СГС) единица давления бар(1бар=1 дин/см 2) и одноименная внесистемная метрологическая единица бар, или стандартная атмосфера. Кроме указанных единиц, на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. В таблице 4.1 указаны коэффициенты перевода одних системных или внесистемных единиц давления в другие.
Таблица 4.1
Системы единиц | Единицы давления | На (Ра) | кгс/см2 (at) | бар (bar) | атм (atm) | мм рт. ст. (mm Hg) | мм вод. ст. (mm Н20) |
СИ (SI) | 1Па=1П/м2 | 1,01972 105 | ю-5 | 0,98692 10° | 750,06 10° | 0,101972 | |
МКГСС | 1ат=1 кгс/см2 | 0,980665105 | 0,980665 | 0,96784 | 735,563 | 104 | |
Внесистемные | 1бар=106 дин/см2 | 105 | 1,01972 | 0,98692 | 750,06 | 1,01972 104 | |
1атм=760мм рт. ст. | 1,01325 105 | 1,0332 | 1,01325 | 1,0332 104 | |||
1 мм рт. ст. | 133,322 | 1,35951 10-3 | 1,33322 10-3 | 1,3157910 3 | 13,5951 | ||
1 мм вод. ст. | 9,806654 | 10-4 | 9,80665110-5 | 9,678410"5 | 7,3556 Ю-4 | ||
1psi=1Lbf/in2 | 6,894103 | 0,07 | 6,894 10-2 | 0,068 | 51,715 | 703,08 |
4.3. Классификация средств измерения давления
Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на первичном измерительном приборе (на его отсчетном устройстве - шкале, табло или индикаторе) применяются манометры. Если отображение значения давления на самом первичном приборе отсутствует (т.е. прибор является бесшкальным), но он позволяет получать и дистанционно передавать измерительный сигнал параметра, такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления.
Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, виду измеряемого давления, применению и назначению, типу отображения данных и другим признакам. По принципу действия манометры можно подразделить на деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента УЧЭ - мембраны, трубчатой пружины, сильфона), электрические (давление определяется на основе зависимости электрических параметров - сопротивления, емкости, заряда, частоты - чувствительного элемента от измеряемого давления), широко применяемые в промышленности. Последние основаны на использовании интегральных тензорезисторных чувствительных элементов с цифровым табло и развитой системой интерфейсов.
По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения: избыточного и абсолютного давления - собственно манометры, разряжения - вакуумметры; давления и разрежения - мановакуумметры; разностного давления - дифференциальные манометры (дифманометры).
По области применения манометры подразделяют на общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнениях и т.п) и лабораторные.
Для целей современной автоматизации используются измерительные преобразователи давления (ИПД). На рис. 4.3 представлена классификация ИПД.
По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень АСКУЭ или в систему управления). Современная тенденция развития первичных и вторичных ИПД заключается в "интеллектуализации" на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники как первых - передаче им части функций вторичных преобразователей, так и вторых - передаче им части функций системы управления.
Рис. 4.3. Классификация измерительных преобразователей давления
По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют прежде всего на деформационные и электрические. В первых относительное перемещение деформированного чувствительного элемента (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) преобразуется с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в электрический (посредством, например, магнитотранзисторного или оптоэлек- тронного преобразователя) или магнитный (например, в сигнал взаимной индуктивности в датчиках с дифференциально-трансформаторной системой передачи данных) сигнал, а во-вторых - измеряемое давление через упругие свойства деформированного ЧЭ изменяет его собственные электрические параметры - сопротивление, емкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе следующих принципов: емкостных (используют устройства чувствительных элементов в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода - мембраны - относительно неподвижного изменяют емкость чувствительного элемента), пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов - кварца, турмалина и др. - от давления) или транзисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от его деформации). В последние годы ИПД создаются на основе и других принципов: волоконно-оптических, гальваномагнитных, объемного сжатия, с поверхностными акустическими волнами, с р-n переходами и т.д.
Более 60% мирового рынка на сегодняшний день составляют тензо- и пьезоэлектрические ИПД, более 90 % рынка СНГ - тензорезисторные ИПД. Тензорезисторные чувствительные элементы (ТРЧЭ) представляют собой измерительную мембрану, металлическую с диэлектрической пластиной, на которой размещаются тензорезисторы (в виде уравновешенного измерительного моста) с контактами для подключения (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Конструкция тензометрического манометра: 1 - сапфировая пластина; 2 - сборные пластинки; 3 - кольцо из диэлектрика; 4 - корпус; 5 - выводные провода
Деформация (прогиб) мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу - изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рис. 4.5).
Тензорезисторы выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так и из полупроводника (поликристаллические - из порошкообразного полупроводника и монокристаллические - из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем кристаллических и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов (с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки р-n переходами - технология "кремний на кремнии"), либо по технологии "кремний на диэлектрике" - на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на упругие и электрические характеристики тензорезисторов (механические, тепловые и электрические свойства твердого тела существуют не изолированно, а связанно и влияют друг на друга), что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение при изготовлении общепромышленных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология "кремний на сапфире"
Рис. 4.5. Функциональная структура ИПД: ИП - источник питания
По выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые. ОСНОВНОЙ парк действующих ИПД относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0-5, 0-20 или 4-20 мА, хотя применяются и устаревшие ИПД с