Системы автоматического контроля химико — технологическими процессами n

Системы автоматического контроля химико - технологическими процессами n n n Первой функцией системы управления (СУ) является получение информации о состоянии объекта управления, которое выполняется частью СУ, называемой системой автоматического контроля. В основе автоматического контроля лежат измерения обыкновенные количественные оценки параметров, характеризующих процесс (температура, давление, расход, концентрации, вязкость и др. ) Автоматический контроль заключается в том, что получение и обработка информации в той или иной мере происходит без участия человека, с помощью разнообразных приборов контроля.

Основные понятия измерительной техники n n n Измерением называют экспериментальное определение численного соотношения между измеряемо физической величиной и значением принятым за единицу измерения. Измерительные преобразования представляют собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Измерительный преобразователь - это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Понятие «измерительный преобразователь» значительно более узкое, более конкретное, чем понятие «измерительное преобразование» , т. к. одно измерительное преобразование может выполняться целым рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей.

n n Так, например, измерительное преобразование температуры Т в механическое перемещение ∆l может быть выполнено целым рядом различных конкретных измерительных преобразователей. Поэтому указание измерительного преобразователя отвечает на вопрос, что и во что нужно преобразовать, а указание конкретных преобразователей отвечает на вопрос о том, как это физически предполагается выполнить.

Измерительный прибор – это устройство, служащее для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с единицей измерения. n Точность измерения принято характеризовать величиной погрешности показаний прибора. n

Различают несколько видов погрешностей: n абсолютная погрешность измерительного прибора y абс. – это разность между его показаниями Аи и действительным значением измеряемой величины Аd, определенной по образцовому прибору. Выражается в единицах шкалы прибора, т. е. является размерным числом

n относительная погрешность измерительного прибора – отношение абсолютной погрешности γ абс. к действительному значению измеряемой величины Аd, выраженное в процентах n приведенная относительная погрешность измерительного прибора – это выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы измерительного прибора.

n класс точности прибора – численно равен допустимой приведенной относительной погрешности. По величине этой погрешности приборы делятся на классы точности 0, 05 -5, 0. Промышленные приборы в большинстве случаев выпускаются с классами точности 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5. Например, прибор с классом точности 1, 5 имеет максимально допустимую приведенную относительную погрешность ± 1, 5% от диапазона шкалы.

Классификация измерительных приборов Все контрольно-измерительные приборы классифицируются: n по измерительной величине ( для измерения t, P, G, H и т. д. ). n по назначению: технические, контрольные, лабораторные, образцовые, эталонные. n по способу получения показателей: показывающие, сигнализирующие, самопишущие (регулирующие) и т. д. n по принципу действия – механические, электронные, оптические, акустические, радиоактивные, гидравлические: пневматические, химические. n по месту получения показателей – местные и с дистанционной передачей. n по условиям работы – стационарные и переносные.

n В основе измерения различных неизвестных величин в современных автоматах и приборах используется компенсационный метод. Сущность его заключается в том, что при изменении измеряемой величины уравновешивающую ее (компенсирующую) величину изменяют до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие схемы, при котором на входе нуль-прибора сигнал будет отсутствовать.

Компенсационный метод измерения напряжения n На рис. 1 представлена упрощенная схема измерения напряжения, реализующая компенсационный метод измерения. R А Е>Ux D Rнп Нп R Ux Рис. 1

n I 1 – ток во вспомогательном контуре; I 2 – ток в измерительном контуре; R–сопротивление реохорда; НП – нуль-прибор; Rнп – внутренне сопротивление нуль-прибора; Rвн– сопротивление внешних (подключающих проводов); Uх–измеряемое напряжение; Е – напряжение внешнего источника. n Рассмотрим работу схемы. Ток Iад на участке АД реохорда в соответствии с первым законом Кирхгофа будет: (1) n Для измерительного контура, согласно второго закона Кирггофа, можно записать: (2)

n Из выражения найдем значение : n откуда найдем, что (3) n Подставляя выражение (1) в (2) получим: (4)

n Из выражения (4) видно, что передвигая контакт Д по реохорду R при условии, что можно найти такое его положение, при котором ток в измерительном контуре I 2 будет равен нулю (это требует компенсационный метом измерения), при котором стрелка нульприбора будет показывать ноль. В этом случае (5) Таким образом, значение измеряемого напряжения Ux однозначно связано с падением напряжения на участке расхода АД, т. е. и не зависит от сопротивления подключающих проводов и внутреннего сопротивления нуль-прибора.

Схема уравновешенного моста n Уравновешенные мосты применяются для измерения электрических сопротивлений. Мостовая измерительная схема приведена на рис. 2. СИП c R 2 Нп a Rp в R 1 d Rпр Rх Рис. 2. Измерительная мостовая схема постоянного тока.

n n R 1, R 2 – постоянные сопротивления; Rпр – сопротивление подключающих проводов; Rр – сопротивление реохорда; Rх – измеряемое сопротивление; НП – нуль-прибор; СИП – стабилизированный источник питания. В диагональ моста «а, в» включен СИП, в диагональ «с, d» – нульприбор. Условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч, т. е. Откуда

n Отношение R 1/R 2, а также Rпр – величины постоянные, поэтому равны каждому значению Rр, шкала которого градуируется в единицах электрического сопротивления, например, в Ом. n В тех случаях, когда колебание температуры окружающей среды значительны и погрешность при изменении сопротивлений проводов может превысить допустимую величину, применяют так называемую трехпроводную систему подключения Rх. При таком соединении, сопротивление одного провода прибавляется к Rх, а второго – переменному сопротивлению. Rр (рис. 3. )

СИП c R 2 Rp Нп a R 1 Rпр Rх в Рис. 3

n Уравнение равновесия моста будет: n Или n В случае симметричного моста, когда получим т. е. изменение сопротивления проводов не оказывает влияния на результаты измерений.

Дифференциально-трансформаторная система преобразования и передачи показаний n n Дифференциально-трансформаторная система преобразования предназначена для преобразования линейных перемещений в электрический сигнал переменного тока и может быть использована для измерения уровня, расхода и т. д. Дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП) (рис. 4) выполняется в виде индукционной катушки имеющий обмотку питания 1 и две встречно включенные вторичные обмотки 2, 3.

Рис. 4 Дифференциально-трансформаторный преобразователь: а) схема дифференциальнотрансформаторного преобразователя; б) статическая характеристика ДТП.

n При перемещении сердечника “ 4” вверх или вниз меняется коэффициент взаимной индукции в верхней или нижней обмотках. n Если сердечник 4 находится в среднем положении, то l 1=l 2 и общее напряжение во вторичных обмотках ∆U=0, в противном случае l 1≠l 2 и на выходе преобразователя будет сигнал отличный от нуля. Статическая характеристика ДТП, т. е. зависимость ∆U от положения сердечника l показана на рис. б. Вторичный автоматический прибор с ДТП предназначен для работы в комплекте с аналогичным измерительным ДТП и применяется для измерения большого числа величин преобразуемых в линейное перемещение. n

Пневматический унифицированный преобразователь государственной системы приборов n n n Преобразователь государственной системы приборов (ГСП) пневматической ветви состоит из двух элементов: измерительного блока, предназначенного для преобразования физической величины в усилие и преобразователя этого усилия в унифицированный пневматический сигнал, изменяющийся в диапазоне 0, 2 ÷ 1, 0 кгс/ см 2. В настоящее время в химической промышленности используются приборы и регуляторы, изготавливаемые из элементов УСЭППА (унифицированная система элементов промышленной пневмоавтоматики). Система УСЭППА представляет собой набор элементов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных элементарных функций. Из этих элементов может быть изготовлено любое сложное устройство пневмоавтоматики.

На основе элементов УСЭППА разработана система автоматических регуляторов и вторичных приборов под названием “Старт”. n В эту систему входят: - вторичные приборы: n а) ПВ 4. 27 – вторичный прибор для непрерывной записи и показания величины одного параметра; n б) ПВ 4. 37 - вторичный прибор для непрерывной записи двух переменных показаний одной переменной; n в) ПВ 10. 17 - вторичный прибор для непрерывной записи и показаний значения регулируемой переменной, указания положения контрольной точки (задания регулятору), давления в линии исполнительного механизма, в прибор вмонтирована станция управления, предназначенная для перевода автоматической системы регулирования (АСР) с ручного режима работы на автоматический, для включения АСР на программный режим работы, для выключения АСР; n

- регуляторы: n n n n а) ПР 1. 5 – двухпозиционный регулятор; б) ПР 2. 5 – пропорциональный регулятор (диапазон пропорциональности δ=5 – 3000%; в) ПР 3. 21 – пропорционально-интегральный регулятор (δ=5 – 3000%, Тиз =3 с – 100 мин, Тиз – время изодрома); г) ПР 3. 22 – пропорционально-интегральный регулятор с местным задатчиком; д) ПР 3. 23 - пропорционально-интегральный регулятор соотношения; е) ПР 3. 25 – пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(δ=5 – 3000%, Тиз =3 с – 100 мин, Тпр=5 – 100 мин, где Тпр – время предварения) Кроме перечисленных устройств в систему “Старт” входят ряд других функциональных блоков, реализующих другие элементарные операции такие как, сложение, умножение, извлечение квадратного корня и т. п.

Рис. 5. Унифицированный пневмосиловой преобразователь ГСП 1 F 4 3 5 2 6 V Рпит=1, 4 кгс/см 2 Foc 7 Рвых=0, 2 -1 кгс/см 2

1 – рычажная система; 2 – корректор для настройки диапазона преобразователя (0, 2 – 1 кгс/см 2); 3 – корректор нуля, устанавливающий начальное давление 0, 2 кгс/см 2; 4 – заслонка; 5 – сопло; 6 – пневмоусилитель; 7 – сильфон обратной связи; 8 – измерительный блок.

n В измерительном блоке 8 измеряемый параметр преобразуется в усилие F. При изменении усилия F происходит незначительное перемещение рычажной системы 2 и заслонки 4 относительно сопла 5. Преобразователь сопло-заслонка 4 -5 преобразует это перемещение в управляющий сигнал давления сжатого воздуха, поступающий на пневмоусилитель 6. Выходной сигнал усилителя поступает в линию дистанционной передачи в виде сигнала Рвых и в сильфон обратной связи 7, где преобразуется в усилие обратной связи Foc, уравновешивающее входное усилие F. Предельное состояние передачи пневматического сигнала Рвых составляет 300 м при внутреннем диаметре импульсных линий 6 м.

Преобразователь электрической ветви системы ГСП n n n Электрическая токовая ветвь приборов контроля и регулирования представляет собой группу взаимосочетающихся приборов и устройств при помощи которых решается большая часть задач по автоматическому регулированию химико-технологических процессов. Универсальность системы заключается в возможности использования большого количества приборов и устройств, как разработанных, так и серийно выпускающихся ранее различными заводами. Преобразователи электрической ветви системы ГСП выпускаются с унифицированным сигналом (токовый выход) от 0 до 5 ма или 020 ма. Сюда же входят регулирующие и корректирующие приборы, магнитные усилители, преобразователи, исполнительные механизмы и всевозможные вспомогательные аппаратуры.

n n Рассмотрим работу универсального токового преобразователя. 5 в 7 9 2 3 12 4 V 10 1 8 6 11 К вторичному прибору Рис. 6. Преобразователь электрической аналоговой ветви с силовой компенсацией

Принцип действия преобразователя токовой ветви основан на электрической силовой компенсации. n 1 – измерительный блок; 2, 4, 6 – рычаги; 3 – ролик для установки диапазона; 5 – ленточная тяга; 7 – сердечник ДТП; 8 – катушки; 9 – ярмо; 10 – электронный усилитель; 11 – постоянный магнит; 12 – пружина для установки нуля преобразователя. n

n Измеряемый параметр воздействует на n чувствительный элемент измерительного блока 1 и преобразуется в пропорциональное усилие F, которое воздействует на рычаг 2. Поворот этого рычага через шток 3, промежуточный рычаг 4 передается компенсационному рычагу 6. На последнем укреплены сердечник 7 ДТП равновесия и катушки 8 магнитоэлектрического силового механизма.

n При отклонении сердечника 7 от равновесного положения в цепи, составленной из двух включенных навстречу вторичных обмоток ярма 9, возникает сигнал переменного тока промышленной частоты. Этот сигнал поступает на электронный усилитель 10 с выхода которого усиленный и одновременно в последовательно соединенную с ней катушки 8 магнитоэлектрического силового механизма. Воздействие магнитного поля, создаваемого током в катушке 8, с полем постоянного магнита 11 создает усилие на рычаге 6, которое уравновешивает измеряемое (входное) усилие F. Нулевая точка настраивается с помощью пружины12. В зависимости от типа усилителя пределы изменения выходного сигнала могут быть: 05 ма; 020 ма. Сигнал с выхода электронного усилителя может быть передан на расстояние до 10 км.