Технические средства автоматизации.

Технические средства автоматизации.

Глава 1. Средства измерений и их характеристики.

1.1.Основые элементы средств измерений.

Измерение, т.е. нахождение значения физической величины опытным путем, осуществляется с помощью специальных устройств – средств измерений. Основными видами средств измерений являются измерительные преобразователи и измерительные приборы.

Измерительные преобразователи (датчики)предназначены для получения сигнала измерительной информации, удобной для передачи, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем; измерительные приборы-для получения сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

1.2. Погрешность средств измерений

Средства измерений могут быть с успехом использованы лишь только тогда, когда известны их метрологические свойства.
Специфической метрологической характеристикой средств измерений является их погрешность. Разность между показанием прибора х_n и истинным (или действительным)значением измеряемой величины х называется абсолютной погрешностью средств измерений Δ х:

Δ х = х_n_- х.

Отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному значению измеряемой им величины называется относительной погрешностью и выражается в долях или в процентах измеряемой величины. Относительная погрешность используется в качестве одной из характеристик точности средства измерений. Величина, равная значению абсолютной погрешности и противоположная ей по знаку, называется поправкой:

C = x – x_n

Метрологической характеристикой точности большинства технических средств измерений являются пределы основной и дополненных погрешностей. Основной погрешностью называется погрешностью средств измерений, используемых в нормальных условиях, определяемых ГОСТами или другими техническими условиями на средства измерений.

Дополнительной погрешностью называется погрешность средства измерений, вызываемая воздействием на него условий при отклонений их действительных значений от нормальных (нормативных)или при выходе за пределы нормальной области значений.Класс точности средств измерений являющийся их обобщённой метрологической характеристикой, определяется пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей. Конкретный классы точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Чем меньше число, обозначающее класс точности, тем меньше пределы допускаемых погрешностей.

Любое средство измерений и каждый из его элементов могут выполнять свои функции лишь в том случае, когда их выходные (х_вых) и входные (х_вх)величины связаны между собой устойчивыми зависимостями в различных режимах работы. Различают два основных режима работы измерительных устройств – статический (установившийся)и динамический (неустановившийся).Оба режима преобразования входной величины в выходную определяются соответственно статическим и динамическим характеристиками. Знание статических и динамических характеристик средств измерений и их элементов наряду с показателями, характеризующими погрешности, имеет большое значение как при собственно измерениях, так и особенно при использовании их в качестве датчиков в системах автоматического регулирования и управления.
Статической характеристикой средства измерений называется функциональная зависимость между выходной и входной величинами в установившихся режимах работы, т.е.
х_вых= f (х_вх)

Динамической характеристикой средства измерений и из элементов называется функциональная зависимость между из выходной и входной величинами в динамических словиях преобразования, т.е. в переходных режимах, когда статические зависимости нарушаются в силу присущих всем средствам измерений инерционных свойств разного рода и вида (инеция движущихся масс, частей, теплопроводность и т.п.)

Измерение давления

Давление, как параметр, характеризующий состояние различных веществ. определяется отношением силы, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности, к площади этой поверхности. Под абсолютным давлением р_абс подразумевается

полное давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля. Оно равно сумме Абсолютное давление газа меньше атмосферного называется вакуум (или вакуумметрическнм давлением), т. е.

Ршшш^Рмт—Ребе- (ЗЛО)

Средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о всех видах давлений, называются манометрами, а манометры для измерения давления разреженного газа вакуумметрами Средства для измерения разности двух давлений называются дифференциальными манометрами или дифманометрами.

Жидкостные манометры. Приборы этой группы основаны на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением столба рабочей жидкости. Они отличаются простотой устройства и эксплуатации, а также высокой точностью измерения, широко применяются в качестве лабораторных и поверочных приборов. Диапазон измерения их невелик.

Деформационные манометры. Принцип действия деформационных манометров основан на использовании деформации чувствительных элементов (мембран, сильфонов, пружин) или раз внваемой ими силы под действием измеряемого давления среды и преобразовании ее в пропорциональное перемещение или усилие.

На рис. 3.11 приведена схема устройства мембранного де-

го

формационного лифмамометра с индукционной дистанционной передачей измерительной информации на расстояние Давление измеряемой среды подводится к прибору по импульсным трубкам. В плюсовой и минусовой камерах дифмано- метра (т. е. в камерах, к которым подводятся большее и меньшее давления) размещены две одинаковые мембранные коробки / и 2, образованные из сваренных между собой гофрированных мембран. Коробки укреплены в разделительной перегородке, которая зажата между крышками корпуса 5. Внутренние полости мембранных коробок заполне ны жидкостью и сообщаются через отверстие. С центром верхней мембраны связан сердечник 3 индукционного преобразователя 4. преобразующего перемещение в электрический сигнал, подаваемый на измерительный прибор. При изменении перепада давлений мембранные коробки деформируются, подвижные центры коробок перемещаются и жидкость перетекает из одной коробки в другую. Величина перемещения подвижного центра верхней коробки и соединенного с ним сердечника зависит от параметров коробки и разности давления снаружи и внутри коробки.

Деформация мембран продолжается до

тех пор. пока силы, вызванные перепадом давлений, не уравновесятся упругими силами мембранных коробок.

Подобные мембранные дифманометры (типа ДМ) изготовляются на перепады давлений от 1.6 до 630 кПа н рабочее давление среды до 25 МПа. Класс точности приборов 1 —1.5.

В сильфонных манометрах в качестве чувствительных элементов используются сильфоны, представляющие собой тонкостенную металлическую трубку с поперечной гофрировкой. Некоторые типы сильфонов изготовляются с винтовой пружиной, вставляемой внутрь, что несколько расширяет диапазон их применения.

На рис. 3.12 приведена кинематическая схема общепромышленного манометра с одновитковой пружиной. При изменении давления перемещение конца пружины 3 через тягу 5 передается к сектору /. который вращается на оси 6. Угловое перемещение сектора с помощью зубчатого зацепления вызывает вращение зубчатого колеса (трубки) 2. на оси которого укреплена стрелка отсчетиого устройства 4.

Электрические манометры. Эти приборы основаны на использовании зависимостей электрических параметров преобразователей давления от измеряемого давления среды, и в последние годы получили широкое распространение. Действие электрических манометров сопротивления основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления. Принцип действия комплекса измерительных преобразователей типа «Сапфир» основан на тенэорезистивном эффекте тензорезисторов, наносимых в виде монокристалличес- кой пленки кремния на чувствительные элементы приборов тензомодули.

Измерительный блок, показанный на рис. 3.13. представляет собой тензомодуль рычажно-мембранного типа б_% помешенный в замкнутую полость основания 8. Последняя заполнена налиме тилсилокспновой жидкостью. Тензомодуль отделен от измеряе ой среды металлическими гофрированными мембранами /, соединенными между собой штоком 7, который связан с концом рычага тензомодуля. Под действием разности давлений происходит перемещение штока 7, которое вызывает прогиб измерительной мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению сопротивления теи- зорезнсторов 5. нанесенных на измерительную мембрану. Электрический сигнал через выводы 3 передается во встроенное электронное устройство 4_%с которого он далее передается в линию связи.

3.2. Измерение расхода и массы веществ

Расходомеры переменного перепада давления. Для измерения расхода жидкостей, газов и паров, протекающих по трубопроводам, широко используются расходомеры переменного перепада давления. Перепад давления создается с помощью нормализованных сужающих устройств. Наиболее распространенными из них являются диафрагмы.

Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный так, что центр его лежит на оси трубы в трубопроводе (рис. 3.14). При протекании потока жидкости или газа в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струн около стенки перед диафрагмой возрастает из-за подпора перед ней. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как происходит потеря давления р_п(п вследствие трения и завихрений.

Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате этого сред, няя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление \н в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством р\. Разность этих давлений (перепад давления Др — рх — р*) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара.

Подключение к сужающему устройству измерительного прибора — дифманометра осуществляется с помощью импульсных трубок I, 2, подводящих давления р\ и р% к соответствующим полостям прибора. В общем виде уравнения Объемного и массового расходов газов (паров) и жидкостей через диафрагму имеют следующий вид:

Q_nB= ае(я(/74)У2Лр/р; (3.11) Quae — ar.(nd~/4)\^r2Kpp', (3.12)

где а — коэффициент расхода, зависящий от типа и размера сужающего

устройства н физических свойств потока; е поправочный коэффициент расширения, вводимый при измерении расхода газов н паров жид

костей I); d диаметр сужающего устройства, м; Др — перепад давлений. Па. р — плотность измеряемой среды, кг/м*.

Расходомеры обтекания. Эти устройства основаны на зависимости перемещения тела, находящегося в потоке и воспринимающего динамическое давление с1груи, от расхода вещества. Наиболее широко применяемыми расходомерами обтекания являются, расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры. Последние применяются для измерения расходов однородных потоков чистых и слабозагрязненйых жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам, особенно широко в винодельческом, спиртовом, ликеро-водочном, пиво-безалкогольном и других производствах.

Ротаметр (рис. 3.15) представляет собой длинную коническую трубку /, располагаемую вертикально, вдоль которой перемещается поплавок 2 пбд действием движущегося снизу вверх потока. Поплавок перемещается До тех пор, пока площадь кольцевого отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, прн котором перепад давления по обе стороны поплавка не станет равным расчетному. При этом действующие на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

Тахометрические расходомеры. Принцип действия этих устройств основан на использовании зависимости скорости движения тел— чувствительных элементов, помещенных в поток, от расхода вещества, протекающего через расходомеры.

В турбинных тахометричес- ких расходомерах чувствительными элементами являются вращающиеся под действием потока жидкости или газа турбины-крыльчатки, располагаемые горизонтально или вертикально. Камерные тахометри- ческне расходомеры представляют собой один или несколько подвижных элементов, отмеривающих или отсекающих при своем движении определенные объемы жидкости или газа.

Электромагнитные (индукционные) расходомеры. Эти устройства предназначены для измерения расхода различных жидких сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами удельной электропроводностью не ниже 5-НГ³ См/м. протекающих в закрытых и полностью заполненных трубопроводах. Широко применяются в разных отраслях пищевой промышленности.

Измерительный преобразователь расхода электромагнитного расходомера (рис. 3.16) состоит из немагнитного участка трубопровода 3 с токосъемными электродами 4 и электромагнита 2 с обмоткой возбуждения /, охватывающего трубопровод.

При протекании электропроводных жидкостей по немагнитному участку трубопровода 3 через однородное магнитное поле, создаваемое электромагнитом 2, в жидкости, которую можно представить как движущийся проводник, возникает электродвижущая сила, снимаемая электродами 4. Эта ЭДС прямо пропорциональна средней скорости потока:

Е^Шр^ (3.13)

где В магнитная нндукини и зазоре между наносами магнита, Т; / — расстояние между электродами, м; средняя скорость дин жени и потока, м/с.

Эта ЭДС представляет собой сигнал, пропорциональный расходу. который поступает на измерительный блок (на рисунке не показан), где он преобразуется в стандартизированный вид и затем подается к измерительному или управляющему устройству.

Поплавковые уровнемеры. Существует большое разнообразие типов и модификаций поплавковых уравномеров и сигнализаторов, различающихся по конструкции, характеру измерения (непрерывное или дискретное), пределам измерения, условиям применения, системе дистанционной передачи и т. п. Принцип их действия основан на использовании перемещения поплавка на поверхности жидкости. Это перемещение механически или с помощью системы дистанционной передачи передается к измерительной части прибора.

В поплавковом уровнемере (рис. 3.17) изменение уровня жидкости определяется по положению поплавка /. Движение поплавка передается с помощью троса или мерной ленты 2, перекинутой через ролики 3 н 4. на мерный шкив б, на оси которого укреплена стрелка 5. показывающая по шкале уровень жидкости в резервуаре. Поплавок и трос уравновешиваются контргрузом 7 или пружиной.

Мембранные уровнемеры. Эти средства получили распространение для измерения уровня зерна н других сыпучих исслеживающихся материалов. В мембранном сигнализаторе уровня зерна (рис. 3.18), который крепится к стенке бункера, усилие давления зерна воздействует на гибкую мембрану / из прорезиненной ткани с жестким металлическим диском 2 и перемещает ее, преодолевая усилие пружины 3. Это перемещение приводит к переключению электрических контактов микропереключатели 4, находящегося внутри корпуса 5. Срабатывание контактов должно происходить при высоте слоя зерна над мембраной около 150 мм.

Гидростатические уровнемеры. Принцип их действия основан на измерении давления столба жидкости или выталкивающей силы, действующей на тело, погруженное в жидкость. В пищевой промышленности находят широкое применение буйковые и пьезометрические (барботажные) гидростатические уровнемеры.

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на измерении выталкивающей силы, действующей на буек, который погружен н жидкость и удерживается в ней в заданном положении с помощью какой-либо внешней силы. В качестве этой силы используется упругая сила пружины или скручивающейся торсионной трубки.

Пьезометрические гидростатические уровнемеры представляют собой открытую с одного конца измерительную трубку, опускаемую в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется. Через эту трубку продувается воздух, который барботирует через жидкость в виде пузырьков. Давление воздуха в трубке р являотся мерой уровня ЖИДКОСТИ. При этом следует учитывать влияние плотности жид- кости р, так как p=pgH.

Электрические уровнемеры. Изменение уровня в них с помощью чувствительного элемента датчика преобразуется в электрический сигнал, который измеряется каким- либо электроизмерительным прибором. При этом используются электрические свойства среды: электропроводность, диэлектрическая проницаемость и др.

Акустические (ультразвуковые) уровнемеры. Эти приборы основаны на свойстве звуковых колебаний отражаться от границы раздела сред с различным акустическим сопротивлением. К достоинствам ультразвуковых уровнемеров следует отнести нечувствительность их к изменению свойств измеряемой среды, большой температурный диапазон, высокую надежность.

Радиоизотопные уровнемеры. В этих приборах используется зависимость интенсивности потока ионизирующего излучения, падающего на приемник (детектор) излучения, от положения уровня измеряемой среды. *

3.2. Измерительные преобразователи и приборы для измерения состава и свойств сред

В ходе переработки исходных пищевых продуктов и сырья и превращения их в готовые изделия происходит многократное изменение их физико-химических свойств и состава. Измерение параметров, характеризующих состав и свойства пищевых продуктов, позволяет судить о режиме этих процессов непосредственно, так как именно они характеризуют качество продуктов. Поэтому контроль этих параметров является обязательным, а иногда и главным элементом многих систем управления технологическими процессами пищевых производств.

Средства измерений для получения измерите.! ьной информации о составе или свойствах анализируемых веществ называются анализаторами

Измерение состава газов

В пищевой промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании разных видов тоилива, для контроля состава газовых сред в пекарных н сушильных камерах, концентрации диоксида серы, диоксида углерода и других газов, подаваемых в ходе многих технологических процессов виноделия, сахарного производства и др.. а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро и взрывопасных пищевых производствах и помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего персонала.

В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу устройства в целом. Основными вспомогательными узлами являются приспособления для отбора, очистки, транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.

Механические газоанализаторы. К этой группе относятся приборы, основанные на использовании различных химических реакций и связанных с ними изменений объема или давления анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируемого компонента с помощью специальных поглотителей.

Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа (рис. 3.28) осуществляется измерение относительного изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с теплопроводностью эталонной смеси известного состава. Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного преобразователя — мостовой электрической схемы.

Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувствительными элементами (резисторами) /? _й и /? _ь выполняющими роль нагревателей и термопреобразователей сопротивления одновременно, и двумя одинаковыми постоянными резисторами R| и /? 2. Один из чувствительных элементов /? „ помещен в рабочую камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R*—в закрытую сравнительную камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Обычно температура нагрева чувствительных элементов /?. н /?, в термокондуктометрических газоанализаторах составляет 100— 120 °С.

Если теплопроводность анализируемого и эталонного газов одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы R_а и /? > будут иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равновесии. При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от этого значения мост выйдет из равновесия и в диагонали его появится напряжение разбаланса Л(/, которое служит мерой концентрации определяемого компонента.

Термомагнитные газоанализаторы. Действие этих устройств основано на использовании потока кислородсодержащего газа («термомагннтного ветра*), возникающего в неоднородном магнитном поле при наличии температурного градиента. Принципиальная схема измерительного преобразователя термомагнитного газоанализатора приведена на рис. 3.29.

Через кольцевую камеру, представляющую собой полое кольцо с трубкой (перемычкой), установленной по диаметру этого кольца, протекает анализируемый газ. На перемычку намотана спираль из платиновой проволоки. Спираль состоит из двух секций-резисторов R\ и /? ₂, нагреваемых до температуры 200— 250 °С от источника электрического тока Е. Платиновые резисторы являются одновременно и нагревательным и чувствительным элементами, включенными в измерительную схему (составленную из резисторов /? * и /? ₂ и постоянных резисторов /? ₃ И /? *).

При отсутствии кислорода в анализируемой газовой смеси тот ее объем, который заполняет перемычку, не движется, т. е. термомагнитный ветер отсутствует. При наличии кислорода вследствие взаимодействия его молекул с магнитным полем внутри перемычки образуется конвективный поток газа, направленный вдоль ее оси (на рисунке слева направо). Этот поток охлаждает секцию R|, находящуюся в межполюсном пространстве магнита, и передает часть тепла секции /? ₂. Это вызывает соответствующее изменение их температуры, а следовательно, и электрического сопротивления, что воспринимается измерительным прибором ИП, включенным в диагональ мостовой измерительной схемы.