Общие сведения о средствах измерений и контроля 4 страница

выходным сигналом взаимной индуктивности, работающие на соответствующие самопишущие вторичные приборы. Применяются ИПД и с другими выходными сигналами: напряжения, частоты и т.д. В последнее десятилетие наметился пере­ход к ИПД с цифровым выходом. Широкое использование получил цифровой протокол HART - открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи, предложенный фирмой Fisher-Rosemount (США) с целью перехода от ана­логовых сигналов к цифровым, предусматривающий одновременное применение цифрового сигнала с использованием метода по частоте для передачи информа­ции и стандартного аналогового сигнала 4-20 мА, на который и налагается сигнал связи. Продолжает развиваться системная интеграция первичных преобразовате­лей - полевых приборов - на базе полевой шины Fieldbus (в частности, ее между­народного открытого стандарта Foundation Fieldbus или стандартов Profibus, Modbus). Эта шина служит для создания полностью цифрового коммуникацион­ного протокола с передачей информации в обоих направлениях между полевыми устройствами и системами управления с поддержкой взаимозаменяемости прибо­ров от разных мировых изготовителей. Следует особо отметить, что полевая ар­хитектура (интеллектуальные полевые приборы, цифровая коммуникация и рас­пределенное управление) приходит на смену централизованному пультовому управлению, стирая грань между системой управления и полевым оборудовани­ем. В отечественных цифровых ИПД получили преимущественное применение цифровые интерфейсы: ДДПК (двоично-десятичный параллельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232C.

ИПД различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используе­мым единицам измерения и ряду основных технических параметров: диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда дав­лений); пределу основной допустимой погрешности (определяется при нормаль­ной температуре +25 °С относительно верхнего диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его нелинейности и воспро­изводимости); пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается по изменению температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28 °С или на весь температурный диапазон работы); допустимому рабочему диа­пазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допус­тимый диапазон температур технологического процесса, или измеряемой среды, и корпуса прибора); динамическому диапазону измерения давлений (отношение максимального значения измеряемого давления к минимальному); уровню ста­бильности метрологических характеристик во времени; стойкости к вибрациям, степени защиты от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнением; требованиям к источнику питания и др.

4.4. Унифицированные преобразователи давления Сапфир-22, Метран

Рассмотрим конструктивные особенности современных ИПД отечественного производства, включающих в себя преобразователи Сапфир-22 (ПО Теплоприбор, Рязань) и Метран (группа Метран, Челябинск).

Новые комплексы унифицированных преобразователей давления изготавли­ваются по самым современным принципам.

Преобразователи Сапфир-22 предназначены для непрерывного преобразова­ния значения измеряемого параметра - давления абсолютного, избыточного, раз­ряжения, гидростатического и разности давлений нейтральных и агрессивных сред, а также преобразование уровня в унифицированный токовый выходной сиг­нал.

Преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления ТП в различных отраслях промышленно­сти, в том числе для применения во взрывоопасных производствах.

Преобразователь состоит из измерительного и электронного блоков. Все пре­образователи имеют унифицированный электронный блок и отличаются лишь конструкцией измерительного устройства.

Измеряемая среда поступает в камеру измерительного блока, вызывая де­формацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.

Электронный преобразователь преобразует это изменение сопротивления в токо­вый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобра­зователя давления.

Преобразователи разности давлений при работе с блоком извлечения корня могут использоваться для получения линейной зависимости между выходным сигналом и измеряемым расходом среды.

Модификации измерительного преобразователя Сапфир-22 включают в себя: Сапфир-22 ДА - абсолютного давления; Сапфир-22 ДИ - избыточного давления;

Сапфир-22 ДВ - разряжения; Сапфир-22 ДИВ - разряжения и давления; Сапфир- 22 ДД - разности давления; Сапфир-22 ДГ - гидростатического давления.

Схема преобразователя Сапфир-22 ДА представлена на рис. 4.6. Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри осно­вания 9. Мембраны отделены от измеряемой среды металлической гофрирован­ной мембраной 8.

Мембраны 8, 14 и крышка 11 по наружному контуру приварены к основанию 9. Мембраны соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 5 с помощью тяги 13. Измеряемое давление подается в камеру 7; полость 12 вакуумирована и герметизирована, полость 15 – герметизирована. Фланец 10 уплотнен с помощью прокладки 3.

Рис. 4.6. Схема преобразователя Сапфир-22 ДА

Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь 1 по проводам через гермоввод 2.

Схема преобразователей Сапфир-22ДД приведена на рис.4.7. Тензопреобра- зователь 4 мембраино-рычажиого типа размещен внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от изме­ряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8.

Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопре­образователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Воздей­ствие измеряемой разности давлений вызывает прогиб мембран 8, изгиб мембра­ны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительно­го блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измеритель­ный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой пере­грузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9. -

Рис.4.7. Схема преобразователей Сапфир-22ДД

На рис.4.8 представлен комплекс унифицированных преобразователей давле­ния Сапфир-22Р.

Рис.4.8. Комплекс унифицированных преобразователей давления

Общий вид измерительного преобразователя разности давлений Сапфир-

22ДД (ДД-Ех) приведен на рис.4.9.

Рис.4.9. Общий вид измерительного преобразователя разности давлений Сапфир-22ДД (ДД-Ех)

Для работы в системах контроля и регулирования технологическими процес­сами с целью непрерывного преобразования гидростатического давления контро­лируемой среды в унифицированный токовый выходной сигнал используется преобразователь Сапфир-22ДГ-ВН (Ех). На рис.4.10 представлен его общий вид.

Рис.4.10. Общий вид измерительного преобразователя гидростатического давления Сапфир- 22ДГ-ВН (Ех)

Преобразователи гидростатического и абсолютного давления Сапфир-22К- ДГ-ВН, Сапфир-22К-ДА-ВН предназначены для применения в АСУ, в том числе в системах количественного учета контролируемых сред, энергоресурсов (рис.4.11).

Преобразователь гидростатического давления Сапфир-22К-ДГ-ВН использу­ется для измерения гидростатического давления жидких сред, хранящихся в ре­зервуарах при относительно низком избыточном давлении.

Преобразователь абсолютного давления Сапфир-22К-ДА-ВН предназначен для измерения абсолютного давления жидких и газовых сред.

Рис.4.11. Общие виды измерительных преобразователей Сапфир-22К-ДГ-ВН и Сапфир-22К- ДА-ВН

Преобразователи являются точными, интеллектуальными, адресуемыми по линии связи приборами измерения давления (основная погрешность ±0,1%), име­ют цифровой последовательный интерфейс RS-485 для связи с программируемым средством потребителя (ПК, ГМК). К одной сигнальной цепи линии связи воз­можно подключение до 30 преобразователей одновременно. Преобразователи имеют единый протокол обмена данными, реализующий следующие функции: измерение, переустановка физического адреса, установка желаемых параметров обмена (скорость, формат данных), установка "0" прибора, чтение реквизитов преобразователя, сервис и диагностика. Все перечисленные функции реализуются командами преобразователям по линии связи.

Преобразователи выполнены с использованием кварцевых пьезорезонансных сило- и термочувствительных элементов. На электронном блоке преобразователя имеется жидкокристаллический дисплей для местного считывания показаний.

Интеллектуальные датчики серии Метран-100 предназначены для измерения и преобразования в стандартный выходной сигнал следующих входных величин: избыточного давления (Метран-100-ДИ); абсолютного давления (Метран-1 СЮ­ДА); разрежения (Метран-100-ДВ); давления-разрежения (Метран-100-ДИВ); разности давлений (Метран-100-ДД); уровня жидкости - гидростатического дав­ления (Метран-10 0-ДГ).

Взрывозащищенные датчики с видом взрывозащиты "искробезопасная элек­трическая цепь" имеют обозначение Метран-100-Ех, "взрывонепроницаемая обо­лочка" - Метран-100-ВН (рис.4.12).

Рис.4.12. Общий вид измерительных преобразователей давления Метран-100

Коды исполнений датчика в зависимости от его электронного преобразовате­ля приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2.

Код	Электронный преобразователь
МП	Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным аналоговым сигна­лом постоянного тока 0-5 мА или 0-20 мА или 4-20мА, для датчиков исполнения Ех - только 4-20 мА
МП1	Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным ана­логовым сигналом постоянного тока 0-5 мА или 0-20 мА или 4-20 мА, для датчиков исполнения Ех - только 4-20 мА
МП2	Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным аналоговым сигна­лом 4-20 мА и цифровым сигналом на базе протокола HART

МПЗ	Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным ана­логовым сигналом 4-20 мА и цифровым сигналом на базе протокола HART
МП4	Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным цифровым сигна­лом на базе интерфейса RS-485
МП5	Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным циф­ровым сигналом на базе интерфейса RS-485

Датчики с HART-протоколом (коды МП2, МПЗ) могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока 4-20 мА. Этот сигнал принимается и обрабатывается любым устройством, поддерживающим протокол HART. Цифровой выход ис­пользуется для связи датчика с портативным ручным HART-коммутатором или персональным компьютером через стандартный последовательный порт в допол­нительный HART-модем, при этом может выполняться настройка датчика, выбор основных параметров, настройка диапазонов измерений, корректировка "нуля" и ряд других операций. HART-протокол допускает в системе наличие двух управ­ляющих устройств: системы управления и ручного коммутатора Метран-650. Эти устройства имеют разные адреса и следовательно Метран-100 (коды МП2, МПЗ) может распознать и выполнить команды каждого из них.

Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов: ана­логовый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый сигнал датчика, не оказывая на него влияния.

Датчик состоит из преобразователя давления (сенсорный блок) и унифициро­ванного электронного преобразователя. Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного эле­мента (тензопреобразователя), вызывая при этом изменение электрического со­противления его тензорезисторов. Чувствительным элементом тензопреобразова­теля является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пле­ночными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной преобразователя.

Конструкция датчиков моделей Метран-100-ДИ, Метран-100-ДВ, Метран-100-ДИВ представлена на рис.4.13.

Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного преобразователя 2, измерительной мембраны 3, жесткого центра со штоком 4, электронного преобра­зователя 5, штуцера 6.

Рис.4.13. Конструкция Метран-100-ДИ, ДВ, ДИВ

Конструкция датчиков моделей Метран-100-ДД приведена на рис.4.14.

Рис.4.14. Конструкция Метран-100-ДЦ

Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри ос­нования 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремнийорганической жидко­стью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембра­нами 8. Они соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5. Воздействие измеряе­мой разности давлений вызывает прогиб мембраны 8 и изменение сопротивления тензорезисторов.

Конструкция датчиков моделей Метран-100-ДА, Метран-100-ДВ, Метран- 100-ДИВ приведена на рис.4.15.

Рис.4.15. Конструкция Метран-100-ДА, ДВ, ДИВ

Между фланцем 1 и корпусом 2 крепится мембрана 3. К мембране привари­вается жесткий центр 4, который с помощью тяги 5 соединен с рычагом тензо- преобразователя 8. Перемещение рычага вызывает деформацию мембраны тензо- преобразователя.

В датчиках гидростатического давления моделей Метран-100-ДГ (рис.4.16) измеряемое давление воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток 4 передается на рычаг тензопреобразователя

Рис.4.16. Конструкция Метран-100-ДГ

2.

На рис.4.17, 4.18 представлены схемы электронных преобразователей датчиков давления

Плата АЦП

Плата микропроцессора

Рис.4.17. Блок-схема электронного преобразователя микропроцессорного датчика давления с кодом МП, МП1, МП2, МПЗ

Рис.4.18. Блок-схема электронного преобразователя микропроцессорного датчика давления с кодом МП4, МП5

Для проведения настройки параметров и калибровки микропроцессорных датчиков серии Метран, поддерживающих HART-протокол, используется конфи­гурационная программа H-MASTER (рис.4.19)

ПК - персональный компьютер R - резистор нагрузки (500 Ом) БП - блок питания

Рис.4.19. Схема подключения приборов для работы программы H-MASTER

Измерение параметров, регулирование и настройка датчиков с кодом МП4, МП5 могут проводиться как с помощью системных средств АСУТП, так и с по­мощью программы ICP-MASTER (рис.4.20)

Рис.4.20. Схема подключения приборов для работы программы ICP-MASTER

Схемы внешних электрических соединений датчиков Метран-100, Метран- 100-ВН приведены на следующих рисунках.

Рис.4.21. Выходной сигнал 0-5 мА, 0-20 мА (четырехпроводная линия связи) для датчиков с кодом МП, МП1

Рис.4.22. Выходной сигнал 4-20 мА (двухпроводная линия связи) для датчиков с кодом МП, МП1

Рис.4.23. Выходной сигнал 4-20 мА (вариант соединения) для датчиков с кодом МП, МП1

Примечания

1. БП - то же, что и на рис.4.21

2. Коммуникатор может быть подсоединен к любой точке цепи. Сигнальная цепь должна иметь сопротивление не менее 250 Ом для обеспечения связи.

Рис.4.24. Датчики с кодом МП2, МПЗ

Примечания

1. Коммуникатор и HART-модем могут быть подключены к любой точке цепи или клеммам 3 и 4 любого датчика.

2. Сигнальная цепь должна иметь сопротивление не менее 250 Ом.

3. Выходной ток блока питания (БП) должен быть не менее суммарного тока потребления всех датчиков (4 мА на каждый датчик), бросок (максимальное значение) тока потребления в момент включения 25 мА на каждый датчик.

Рис.4.25. Многоточечный режим работы датчиков с кодом МП2, МПЗ

Примечания

1. БП-то же, что и на рис.4.21

2. Коммуникатор и HART-модем могут быть подключены к любой точке цепи.

3. Сигнальная цепь должна иметь сопротивление не менее 250 Ом для обеспечения связи.

4. R_H - суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления.

Рис.4.26. Вариант включения датчика с кодом МП2, МПЗ с HART- модемом

Rc - согласующие резисторы 120 Ом

Рис.4.27. Выходной сигнал RS-485 для датчиков с кодом МП4, МП5 с сальниковым вводом

Rc - согласующие резисторы 120 Ом

Рис.4.28. Выходной сигнал RS-485 для датчиков с кодом МП4, МП5 со штепсельным разъемом 2РМ22Б10Ш1В1

Схема внешних соединений датчиков Метран-100-Ех

БП-Ех - искробезопасный блок питания (например, БПД-40-2к-Ех) R_H определяется параметрами БП-Ех

Рис.4.29. Для датчиков с кодом МП, МП1 с блоком искрозащиты

БП-Ех, R_H - то же, что и на рис. 4.29

Рис.4.30. Для датчиков с кодом МП2, МПЗ с блоком искрозащиты

Примечания

1. БП-Ех - то же, что и на рис.4.29

2. R_Н - суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления.

3. Коммуникатор и HART-модем могут быть подключены к любой точке цепи, включая взры­воопасную зону.

Рис.4.31. Вариант включения датчика с кодом МП2, МПЗ с искрозащитным блоком питания с HART-модемом

Примечания

1. БП - блок питания (например, Карат-22, Метран-602, Метран-604).

2. R_Н - суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления определяется парамет­рами барьера, но не менее 250 Ом.

3. Барьер искрозащиты, например, D1010S, D1010D, 9303/13.

Рис.4.32. Датчик с кодом МП2, МПЗ с барьером искрозащиты с гальванической развязкой сигнальных цепей и цепей питания

Примечания

1. БП - блок питания (например, Карат-22, Метран-602, Метран-624).

2. R_H - суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления определяется парамет­рами барьера, но не менее 250 Ом.

3. Барьер искрозащиты, например, 9001/51.

Рис.4.33. Датчик с кодом МП2, МПЗ с барьером искрозащиты без гальванической развязки сигнальных цепей и цепей питания