Учебное пособие Наладка средств измерений в автоматизированных системах регулирования и контроля
 Скачать 122.5 Kb.
|
|
Департамент образования г. Москвы Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение г. Москвы «Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова» Учебное пособие «Наладка средств измерений в автоматизированных системах регулирования и контроля» (Материал можно использовать для курсового и дипломного проектирования) Москва 2015 Председатель П(Ц)К Утверждаю «Автоматизация технологических Зам. Директора по УМР процессов и производств» Бойцова И.В Елисеева Е.В. ________________ ________________ Автор: Киселева Н.П. ________________ -1- Введение Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (15.02.07) по МДК 02.01 «Теоретические основы организации монтажа, ремонта, наладки систем автоматизации, средств измерений, мехатронных систем». Основные темы, рассмотренные в данном пособии: Краткие теоретические сведения о первичных преобразователях (датчиках) и регуляторах. Вторичные преобразователи. Монтаж и наладка дифманометра-расходомера. Монтаж и наладка уровнемеров. Монтаж и наладка датчиков температуры. Данное пособие поможет студентам в написании курсового и дипломного проектов. При изучении этого пособия обучающиеся приобретают знания теоретических основ монтажа и наладки средств измерений (датчиков), приобретают умения и навыки настройки (градуировки) рабочих приборов. В данной работе будут приведены примеры расчетов инструментальных погрешностей приборов. 1. Краткие теоретические сведения о первичных преобразователях (датчиках) и регуляторах 1.1. Назначение датчиков Датчик – это элемент измерительного прибора или автоматического регулятора, находящийся под воздействием измеряемой величины (параметра). 1.2. Классификация приборов (регуляторов) По назначению технические рабочие приборы делятся на показывающие, самопишущие, сигнализирующие и измерительные -2- автоматы. Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжены устройством для автоматической регистрации (записи) значения измеряемой величины за все время работы прибора. Они дают возможность получить данные для последующего анализа работы объекта или хода технологического процесса путем обработки данных. Самопишущие (регистрирующие) приборы могут иметь также показывающее устройство, в этом случае они одновременно являются показывающими и самопишущими. Сигнализирующие приборы имеют специальные приспособления для включения световой или звуковой сигнализации при достижении измеряемой величины заранее заданного значения. Регулирующие приборы имеют специальное устройство, предназначенное для автоматического поддержания измеряемой величины на заданном значении или для изменения ее по заданному закону регулирования. Такие приборы могут иметь показывающие или регистрирующие устройства или одновременно и то и другое. Измерительные автоматы – это приборы с устройством, выполняющим по результатам измерения определенную работу согласно установленной для них программе. По характеру передачи показаний приборы делятся на местные и с дистанционной передачей. По виду измеряемой величины приборы выпускаются для измерения температуры, давления, расхода (или другой физической величины). 1.3. Выбор типа датчиков Первичные преобразователи (датчики) выбирают по измеряемому параметру и его величине и по точности измерений данного параметра. 1.4. Необходимость применения вторичных преобразователей Вторичный преобразователь (показывающий прибор), как правило, расположен на щите или пульте управления технологическим процессом или автоматическим регулятором. - 3- Результаты измерений от первичного преобразователя (датчика) передаются по электрическим проводам, трубным проводкам (для гидро- и пневмосистем) или дистанционно на вторичный прибор. Так как в технологических процессах необходимо контролировать большое количество параметров, то целесообразно контролировать эти данные и передавать их на пульт оператора посредством унифицированных токовых сигналов автоматически или дистанционно. 2. Вторичные преобразователи Система технологического контроля в общем случае состоит из измерительных преобразователей (датчиков), вторичных приборов, устройства контроля и сигнализации – для отключения оборудования при аварийных ситуациях, автоматического регулятора для восстановления заданных параметров, вычислительного комплекса. Информация о параметрах может быть представлена на табло или дисплее, или на мнемосхеме в виде дискретных сигналов различного цвета. Применение цветных видеотерминалов позволяет реализовать наглядные фрагменты мнемосхемы объекта, автоматический вызов соответствующего фрагмента при аварийной ситуации. Вторичным преобразователем для датчиков температуры является логометр или милливольтметр, отградуированные под единицы температуры. Их монтируют посредством винтов на пульте управления регулятором или технологическим процессом. В качестве вторичного прибора для измерения расхода может быть манометр, который устанавливают строго по уровню, после его проверки на стенде и градуировки. Манометры системы ГСП при измерении параметров сред с минусовой температурой или агрессивных сред следует применять мембранный разделитель. 3. Монтаж и наладка дифманометра-расходомера 3.1. Подготовка прибора к включению При подготовке любой системы измерения расхода следует -4- визуально убедиться в ее исправном техническом состоянии. Перед включением системы измерения расхода следует убедиться в правильном функционировании измерительных устройств, входящих в систему. Как правило, эта операция выполняется с помощью специальных имитаторов-задатчиков: для пневматической ветви – пневмосумки (пневмотестера), для электрической токовой – источников стабилизированного тока с прозвонкой электрических цепей. Эти задатчики позволяют подать сигнал от дифманометра к измерительным устройствам и проверить их работу. После этой операции подключают отсоединенные линии связи к датчику, выставляют нулевое значение выходного сигнала при закрытых запорных вентилях и открытом уравнительном вентиле дифманометра и приступают к включению системы измерения расхода. 3.2. Заправка прибора рабочей жидкостью Заполнение жидкостью производят с помощью шланга, присоединенного с одной стороны к емкости, в которой имеется жидкость, а с другой стороны – к продувочному (сливному) вентилю дифманометра на «+», а затем на «-». Жидкость, поступая снизу вверх в камерах дифманометра, вытесняет воздух через открытые запорные вентили дифманометра. После заполнения прибора, когда выход пузырьков прекратился, запорные вентили закрывают, а уравнительный оставляют в открытом положении. 3.3.Включение дифманометра Дифманометр монтируют по месту установки и подсоединяют импульсные трубки. Оставить импульсные линии в подключенном состоянии на время, пока они не примут температуру окружающей среды. Затем корректируют нулевое значение выходного сигнала. 3.4. Определение относительной погрешности при измерении расхода жидкости в гидросистемах В процессе включения систем измерения расхода и при оценке их работоспособности наиболее важным является вопрос -5- о достоверности показаний. При наладке расходомеров могут быть случаи, когда значения параметров измеряемой среды (давление, температура и т.д.) отличаются от принятых при расчете сужающих устройств. Действительное значение расхода вещества в этом случае определяется с учетом изменения его плотности. При измерении расхода любого вещества показания дифманометра-расходомера следует умножать на множитель k = (عд / ρ расч)√ρ расч/ ρ д, где ρ расч и ρ д - плотность вещества, принятая при расчете и действительная; ع д и ع расч - поправочные множители, учитывающие расширение вещества при расчетном и действительном значениях. Погрешность измерения расхода в общем случае зависит от конструктивных данных трубопровод, состояния и длин его прямых участков до и после сужающего устройства, а также от соответствия параметров измеряемой среды расчетным данным. Поскольку система измерения расхода может состоять из нескольких устройств, суммарная средняя квадратическая погрешность определяется по формуле: σ Q Σ = √ σ 2Q + σ 2 к.с +σ 2 в.п, где σ к.с - средняя квадратическая относительная погрешность канала связи; σ в.п - средняя квадратическая относительная погрешность вторичного прибора; σ к.с и σ в.п находят из соответствующих предельных погрешностей, считая, что σ = δ /2 Если параметры среды близки к расчетным, то система измерения расхода жидкости приближенно считать, что σQ Σ = √ σ 2 ά + σ 2 √ Δ Р + σ 2 к.с + σ в.п Для приближенной оценки погрешности используется только погрешность σ ά 3.5. Пример расчета определения погрешности системы измерения расхода жидкости Требуется определить погрешность измерения расхода жидкости при Q = Q макс с помощью диафрагмы с σ ά = 0,6 дифманометра типа 13ДД11 (класс точности 1) и вторичного прибора ПВ4.Э (класс точности 1. Согласно Правилам РД50-213-80 для показывающих -6- дифманометров-расходомеров определяем погрешность прибора по формуле σ √ Δ Р = 0,5 Q макс ρ√ Δ Р / Q, где Q макс - верхний (максимальный) предел измерения дифманометра по расходу; Q - значение расхода в рабочей точке шкалы дифманометра; ρ√ Δ Р - класс точности дифманометра. Находим σ √ Δ Р = 0,5 *1*1= 0,5 % . Примем σ к.с =0 . Средняя квадратическая погрешность вторичного прибора σ в.п =0,5*1= 0,5%. Суммарная среднеквадратическая погрешность системы измерения расхода жидкости: σQ Σ = √ 0,6 2 + 0,5 2 + 0,5 2 = 0,92% Предельная погрешность измерения δ = 2 σQ Σ = 2*0,92 = 1,84% 4. Монтаж и наладка уровнемеров 4.1. Общие теоретические сведения. Под уровнем жидкости понимается граница, разделяющая жидкость от газа или жидкости меньшей плотности, расположенной выше. Для измерения уровней жидкостей в отраслях промышленности применяют поплавковые, буйковые, дифманометрические и емкостные. Поплавковый уровнемер. Его принцип действия основан на измерении перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Они не пригодны для измерений вязких жидкостей. Буйковый уровнемер. Его принцип действия основан на измерении перемещении буйка или силы гидростатического давления, действующего на буек. В отличии от поплавка, который плавает на поверхности жидкости, буек погружен в нее. Особенностью этих уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей. Недостатками буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16 м) диапазонов уровней жидкости и жидкостей, обладающих адгезией к буйку. -7- Дифманометрический уровнемер. Принцип его действия основан на измерении гидростатического давления жидкости при помощи дифференциального манометра. Эти приборы позволяют измерить уровень однородных вязких жидкостей под давлением, причем значение его может изменяться в широком диапазоне. Их недостатком является погрешность измерения температуры и плотности измеряемой среды. Емкостные уровнемеры. Принцип их действия основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха. В связи с этим по мере погружения электродов датчика уровнемера в жидкость емкость между ними пропорциональна уровню жидкости в резервуаре. 4.2. Состав и наладка буйкового электрического датчика уровня типа УБ-Э Уровнемер состоит из передаточного механизма, индикатора рассогласования, блока обратной связи и усилителя УП-20. К передаточному механизму относятся рычаги, опоры и другие элементы кинематики, позволяющие передавать усилия от чувствительного элемента и блока обратной связи. Датчик типа УБ-Э предназначен для получения информации в виде унифицированного электрического выходного сигнала постоянного тока 0 – 5 или 0 – 20 мА, пропорционального изменению уровня жидкости в емкостях и технологических аппаратах. Схема подключения прибора УБ-Э с усилителем УП-20 и – вторичными приборами ВП позволяет доставлять информацию о количестве жидкости на пульт. Усилитель представляет собой электронный блок. Он обеспечивает получение напряжение питания индикатора рассогласования. Вторичные приборы расположены на пульте управления. Усилитель смонтирован в металлическом корпусе, предназначенном для щитового монтажа. Вторичные приборы постоянного тока подключаются к выходу усилителя последовательно. Вторичные приборы постоянного напряжения подключаются параллельно нагрузочному сопротивлению. Нагрузочное сопротивление R Н выбирается из условия: R Н =U/I, -8- где U - предельное значение входного сигнала для вторичного прибора, мВ; I - предельное значение выходного сигнала уровнемера (5 или 20 мА). 4.3. Состав и наладка поплавкового датчика уровня типа ДПЭ Принцип действия этого датчика основан на преобразовании перемещения поплавка в угловое перемещение магнита и передаче этого перемещения для управления контактным устройством через герметичную стенку путем магнитной связи. В одних модификациях датчиков поплавок размещен на рычаге, а в других – на тросе. В первом случае применяется горизонтальная установка ЧЭ, а во втором – вертикальная. Датчики первого типа настраиваются при наладке путем изменения угла хода поплавка регулировкой положения упоров, у датчиков второго типа дифференциал срабатывания настраивается путем изменения положения планок на тросе. 4.4. Состав и наладка дифманометрических уровнемеров Дифманометрические системы измерения уровня основаны на измерении дифманометром-уровнемером перепада давления, обусловленного разностью высот столбов жидкости в резервуаре,в котором производят измерение, и в уравнительном сосуде с постоянным уровнем жидкостью, жидкости. Уравнительный сосуд и соединительные линии к дифманометру заполняются жидкостью, уровень которой измеряется. Наладка систем измерения уровня осуществляется в несколько этапов. На этапе подготовки выполняют следующие работы: а) выбор оборудования и контрольно-поверочной аппаратуры; б) комплектование приспособлении, оснастки, необходимых для проведения предмонтажной проверки и выполнения наладочных работ на месте монтажа. Особое внимание должно быть уделено проверке комплектности датчиков уровня взрывозащитного исполнения, проверке соответствия блоков и усилителей, соответствия датчиков данным проекта по плотностям жидкостей и пределам измерений уровней, -9- соответствия буйков (например, по порядковому номеру) датчикам уровня, проверке соответствия марки материала датчика и буйка, контактирующих с измеряемой жидкостью, данным проекта. Следующий этап – это предмонтажная поверка датчиков уровня, которая производится в соответствии с технических описаний и инструкций по эксплуатации датчиков. Она заключается в переградуировке на другое значение плотности жидкости. Для каждого типа датчиков существует своя схема предмонтажной поверки датчиков уровня. Чаще всего поверка осуществляется с помощью образцового манометра МО и одновременно при подаче давления в систему осуществляется съем показаний тока с использованием миллиамперметра. 4.5 Пример измерения уровня жидкости в резервуаре под давлением измеряется поплавковым дифманометром: Δ Р ном = 2500 кг/м 2, ρ изм = 1002 кгс/м 3 , ρ рт = 13500 кг/м 3 , V макс = 168000 мм 3 , ρ газ = 120 кгс/м 2. Требуется определить верхний предел измерения уровня Н макс, если D с = 100 мм. а). Определяем по формуле ά макс = 4V макс / (π D2с ), где V макс - перестановочный объем дифманометра (объем жидкости, вытесняемой из «плюсового» сосуда в «минусовой» при полном ходе поплавка); D с - внутренний диаметр уравнительного сосуда; άмакс - максимальное изменение уровня в уравнительном сосуде при Δ Р ном. άмакс = 4*168000/3,14*1002 ) =21 мм б). Определяем по формуле: Нмакс = (ΔР ном / (ρ рт * g) )*( (ρрт - ρизм )/( ρизм – ρгаз ))+ ά макс, верхний предел измерения уровня: Н макс = 25000* ( 9,806 * (13500 – 1002)/(( 9,8113500* (1002-120)) + 0,021 = 2,65 м. При измерении уровня агрессивных жидкостей для защиты дифманометров от их воздействия применяют системы измерения с разделительными сосудами. Включение систем измерения уровня в рабочих или нейтральных средах производят при индивидуальных испытаниях или комплексном опробовании оборудования. При выполнение наладочных работ нужно использовать любую -10- возможность для испытания систем измерения уровня в любой среде, даже нерабочей, например, при промывке аппаратов, гидравлических испытаниях и т. п. 5..Монтаж и наладка датчиков температуры Для измерения температуры применяют различные системы измерения: это термометры расширения (градусники), термометры сопротивления, термопары, используемые как первичные преобразователи, а также логометры и миллиамперметры, используемые как вторичные преобразователи. Первичные и вторичные преобразователи соединены между собой каналами связи. 5.1. Погрешности системы измерения температуры Точность системы измерения температуры является ее важной характеристикой. Приборы системы измерения температуры фиксируют действительное значение температуры, которое отличается от истинного на значение погрешности. Погрешности делятся на систематические и случайные. К систематическим погрешностям относятся: инструментальные, методические. Инструментальные могут возникнуть из-за неправильной установки измерительного устройства. Суммарная случайная инструментальная погрешность измерения температуры с помощью термопреобразователя сопротивления складывается из двух основных погрешностей: погрешности градуировочной характеристики термопреобразователя σг и погрешности измерения сопротивления термопреобразователя, т. е. погрешность измерительного прибора σпр. Ее значение определяется по формуле Δtст = σст = √ σг + σпр (5.1.1) Значение погрешности, вызванной изменением температуры линии связи, для двухпроводной системы подключения термопреобразователя сопротивления можно определить по формуле Δt = Rл (t2 – t1)/( (ά R0 ( τ + t1)) (5.1.2), где Δt - погрешность, 0C; Rл – сопротивление линии при температуре t1, при которой производилась ее подгонка, Ом; t2- температура, при которой линия находится в эксплуатации, 0С; R0 – сопротивление термопреобразователя при 00С, Ом; τ = 1/άл, άл - температурный коэффициент сопротивления материала линии, оС-1; ά = (R100 - R0)/100R0) – температурный коэффициент сопротивления материала чувствительного элемента, 0С-1, R100 –сопротивление термопреобразователя при 1000С, Ом. 5.2. Пример на определение погрешности измерения температуры Подгонка сопротивления линии медного термопреобразователя сопротивления с номинальной статической характеристикой 50М производилась в месте прокладки при температуре окружающего воздуха t1 = 100C и составляет Rл = 5 Ом. В процессе эксплуатации температура окружающего воздуха в месте прокладки может достигать t2 = 250C. Погрешность, вызванная измерением сопротивления линии от температуры, Δ t = 5(25 – 10)/( 50*3,9 *10-3( 1/0,0427 + 10)) = 1,40С. Термоэлектрические преобразователи (термопары) Диапазон измерения температур термопары колеблется от -200 до +25000С. ТВР – термопреобразователь вольфрам-рениевый, ТПР - термопреобразователь платинородиевый, ТПП – термопреобразователь платинородий-платиновый, ТХА – термопреобразователь хромель-копелевый. ТПР, ТПП, ТХА работают при высоких температурах, но не всегда могут обеспечить стабильность измерения из-за исключительной подвижности и активности атомов любых элементов при высоких температурах. В этих условиях происходит химическое взаимодействие материалов термоэлектродов с окружающей средой. Для защиты термоэлектродов от воздействия окружающей среды при высоких температурах применяют защитную металлокерамическую арматуру. Пределы допустимых отклонений термо-ЭДС термоэлектрических преобразователей от номинального значения определяют по таблицам завода-изготовителя. Номинальные статические характеристики термоэлектрических преобразователей даны в ГОСТе 3044-84. -12- 5.4. Каналы связи Как правило, вторичные измерительные приборы с измерительным термоэлектрическим преобразователем соединяют термоэлектродными (компенсационными) проводами. Для правильного выбора этих проводов применяют ГОСТ 24335-80 «Провода термоэлектродные. Технические условия». В нем даны маркировки и условные обозначения этих проводов, а также изложены рекомендации по выбору типа компенсационного провода в зависимости от условий эксплуатации. 5.5. Соединительные провода Термопреобразователи сопротивления работают в комплекте с логометрами и автоматическими мостами, для которых сопротивление внешней линии (канала связи) указано на шкале прибора. Обычно выбирают медные провода с сечением жил 1-1,5 мм2. 5.6. Предмонтажная проверка измерительных приборов Наладка потенциометров и милливольтметров, мостов и логометров начинается с проведения предмонтажной проверки. При проведении предмонтажной проверки главной операцией является определение основной допускаемой погрешности. За нормируемое значение для мостов и логометров принимают разность конечных значений пределов измерения в единицах сопротивления. Например, для потенциометра с диапазоном измерения от -50 до +500 С класса точности 0,5, работающего с термоэлектрическими преобразователями типа ТХК с номинальной статической характеристикой преобразования ХК, предел допускаемой основной погрешности равен 0,5% суммы абсолютных конечных значений диапазона измерения: Δ=±0,005(3,003 + 3,229) = ±0,005*6,302 = ±0,0315 мВ. Например, для моста класса точности 0,25 с диапазоном измерения от 0 до 2000С, работающего с термопреобразователями сопротивления типа ТСП (платиновые), имеющими номинальную -13- статическую характеристику преобразования 50П, предел основной допускаемой погрешности Δ равен ±0,25% разности конечных значений диапазона измерения в единицах сопротивления: Δ = +0,0025(88,515 – 50) = ±0,096 Ом. Далее после предмонтажной проверки потенциометров и милливольтметров подготавливаются к их монтажу и выполняют операции, предусмотренные инструкцией к прибору. 5.7.Наладка средств и системизмерения температуры Наладку осуществляют с помощью образцовых приборов и согласно градуировочным таблицам (по ГОСТу 3044-84) для всех типов средств измерений температуры. 5.8. Пример на определение выбора образцового прибора для поверки рабочего измерительного прибора Определим возможность поверки потенциометра градуировки ХК со шкалой 0-1000С и классом точности 0,5 с помощью потенциометра ПП-63. Диапазон измерения проверяемого потенциометра равен 6,842 мВ. Предел допускаемой погрешности равен 0,5% диапазона измерения, т.е. Δпов=±0,005*6,842=±0,03421 мВ. Для максимального значения шкалы потенциометра погрешность образцового потенциометра при работе в диапазоне 25 мВ Uмин= 2,5*10-5 В, Δобр=±(5*10-4 *68,4*10-4 +0,5*2,5*10-5)=±0,016 мВ. Условие пригодности выбранного образцового потенциометра Δобр меньше или равно Δпов/3 или 0,016 меньше или равно 0,03421/3, т.е. 0,016 не равно 0,0114, не выполняется и , следовательно , потенциометр ПП-63 не пригоден для поверки потенциометра со шкалой 0-1000С класса точности 0,5. Если в качестве образцового прибора используется универсальный прибор типа Р4833, то наибольшая допускаемая погрешность его определяется по формуле: Δобр=±5*10-4(UN /10+U), где UN =0,1 В - нормирующее значение, а U – задаваемое значение напряжения, В. Тогда для указанного выше примера имеем Δобр=±0,0084 мВ. В этом случае условие пригодности образцового потенциометра выполняется, так как 0,0084 меньше чем 0,0114. -14- Литература Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие. Под редакцией А.С.Клюева- М.: Энергоатомиздат. 2009. Справочник молодого слесаря по контрольно-измерительным приборам и автоматике. Б.И. Жарковский., В.В. Шапкин- М.: Высшая школа. 2009. -15- Оглавление Введение стр. 2 1. Краткие теоретические сведения о первичныхпреобразователях (датчиках) и регуляторах Назначение датчиков 2 Классификация приборов (регуляторов) 2 Выбор типа датчиков 3 1.4. Необходимость применения вторичных преобразователей 3 2. Вторичные преобразователи 4 3. Монтаж и наладка дифманометра-расходомера 4 3.1. Подготовка прибора к включению 4 3.2. Заправка прибора рабочей жидкостью 5 3.3.Включение дифманометра 5 3.4. Определение относительной погрешности при измерении расхода жидкости в гидросистемах 5 3.5. Пример расчета определения погрешности системы измерения расхода жидкости 6 4. Монтаж и наладка уровнемеров 7 4.1. Общие теоретические сведения 7 4.2. Состав и наладка буйкового электрического датчикауровня типа УБ-Э 8 4.3. Состав и наладка поплавкового датчика уровня типа ДПЭ 8 4.4. Состав и наладка дифманометрических уровнемеров 9 4.5.Пример измерения уровня жидкости в резервуаре под давлением поплавковым дифманометром 10 5.Монтаж и наладка датчиков температуры 11 5.1. Погрешности системы измерения температуры 5.2. Пример на определение погрешности измерения температуры 12 5.3. Термоэлектрические преобразователи (термопары) 12 5.4. Каналы связи 13 5.5. Соединительные провода 13 5.6. Предмонтажная проверка измерительных приборов 13 5.7.Наладка средств и систем измерения температуры 14 5.8.Пример на определение выбора образцового прибора для поверки рабочего измерительного прибора 14 -16- |