Автоматизированные системы управления химико- технологическими

Автоматизированные
системы управления
химикотехнологическими
процессами
Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна
1
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей
сопротивления (термо-резисторов) основан на изменении
электрического сопротивления проводников и
полупроводников в зависимости от температуры.
Материал, из которого изготавливается такой датчик,
должен обладать
• высоким температурным коэффициентом сопротивления,
• линейной зависимостью сопротивления от температуры,
• хорошей воспроизводимостью свойств,
• инертностью к воздействиям окружающей среды.
В наибольшей степени всем указанным свойствам
удовлетворяет платина и медь.
2
Термопреобразователи сопротивления
Наиболее распространенный тип термометров сопротивления –
платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет
высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую
стойкость к окислению.
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения
температур в пределах от –260 до 1100 °С. В диапазоне температур
от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных
средств измерений, причем нестабильность градуировочной
характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С
В качестве рабочих средств измерений применяются также
медные и никелевые термометры. Действующим стандартом на
технические требования к рабочим термометрам сопротивления
является ГОСТ Р 6651-2009.
3
Термопреобразователи сопротивления
В стандарте приведены диапазоны, классы допуска,
таблицы номинальных статических характеристик (НСХ) и
стандартные зависимости сопротивление-температура.
Недостатком меди является небольшое ее удельное
сопротивление и легкая окисляемость при высоких
температурах, вследствие чего конечный предел применения
медных термометров сопротивления ограничивается
температурой 1800°C. По стабильности и воспроизводимости
характеристик медные терморезисторы уступают
платиновым.
4
Параметры термосопротивлений
Тип термопреобразова
теля
𝑅100 /𝑅0
Платиновый
1,385
(ТСП)
Медный
(ТСМ)
Никелевый
(ТСН)
1,426
1,391
1,428
1,617
Диапазон
измерения,
°С
Класс
допуска
Разброс
относительно
номинала
-220...+850
А
±(0,15+0,002| t|)
-220...+1100*
-100...+300,
+860...+1100
B
±(0,3+0,005| t|)
С
±(0,6+0,008| t|)
-50...+120
А
±(0,15+0,002| t|)
-200...+200
B
±(0,25+0,0035| t|)
-200...+200
С
±(0,5+0,0065| t|)
С
±(0,3+0,0165| t|)
от -60 до +0 °С и
±(0,3+0,008| t|)
от 0 до +180 °С
-60...+180
5
Погрешности термосопротивлений
В широком диапазоне температур линейная зависимость
дает слишком большую погрешность, поэтому ГОСТ 6651
устанавливает для термопреобразователей сопротивления
табличную или полиномиальную аппроксимацию
экспериментально полученной зависимости сопротивления
от температуры.
Это позволяет исключить систематическую
составляющую погрешности нелинейности из результата
измерений.
Процедура исключения погрешность нелинейности
обычно выполняется в микроконтроллере модуля ввода.
6
Погрешности термосопротивлений
После исключения систематической составляющей погрешности
нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная
технологическим разбросом сопротивления датчика при 0 °С и
разбросом его температурного коэффициента сопротивления.
Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения
температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С
(табл. СЛАЙД 10).
Также источником погрешности измерений с помощью
термопреобразователей сопротивления является
электротермический эффект, который проявляется при соединении
никелевых или медных термопреобразователей с медными
проводами. Обычно он не превышает 20 мкВ.
Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение
двух измерений при противоположных направлениях тока или
измерения на переменном токе.
7
Расчёт температуры от сопротивления
Отсюда, RT сопротивление при T, R0 сопротивление при
0 °C, и константы А, В, С - для платинового
сопротивления.
8
Схема включения
Для измерения температуры с помощью
термопреобразователей сопротивления необходимо измерять
величину омического сопротивления датчика.
В системах промышленной автоматизации используются три
варианта схемы включения датчика в измерительную цепь:
• 2-х проводная
• 3-х проводная
• 4-х проводная
По мере увеличения количества проводов растёт точность
измерения и уменьшается влияние потенциала и сопротивления
контактов. В промышленности, как правило, необходимо
использовать 4-х проводную схему измерения, т.к. "экономия" на
проводах очень быстро теряется за счёт низкой достоверности
результатов измерений.
9
Преимущества термометров сопротивления
• Высокая точность измерений (обычно около 0,1 °C)
• Высокая надёжность при использовании 4-х проводной
схемы измерений
• Низкая стоимость
Недостатки термометров сопротивления
• Низкий диапазон измерений (по сравнению с
термопарами)
• Не могут измерять высоких температур (по сравнению с
термопарами)
• Большие размеры и как следствие их высокую
инерционность (постоянная времени может составлять от
нескольких секунд, при измерении температуры жидкости,
до несколько минут, при измерении температуры газов)
10
Полупроводниковые терморезисторы
Так же для измерения температуры применяются и
полупроводниковые терморезисторы, именуемые термисторами.
По сравнению с металлическими терморезисторами термисторы
обладают более высокой чувствительностью.
Их сопротивление сильно изменяется в зависимости от
температуры и описывается экспоненциальной функцией.
𝐵
𝑅𝑇2 = 𝑅𝑇1 exp
,
𝑇2 − 𝑇1
где Т2 – абсолютная температура (К),
Т1 – эталонная температура (К),
В – коэффициент, зависящий от материала.
Термисторы имеют нелинейную вольтамперную
характеристику и отрицательный температурный коэффициент.
Для измерения температуры наиболее распространены
полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов
кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).
11
Полупроводниковые терморезисторы
Диапазон измеряемых термисторами температур сравнительно
небольшой: от -60 °С до +180 °С
При протекании тока через термистор он нагревается, что в свою
очередь увеличивает погрешность измерений.
Поэтому при выборе термистора необходимо учитывать его
коэффициент рассеяния. Для снижения погрешности, необходимо
увеличивать площадь его поверхности, однако, это приводит к
увеличению тепловой инерционности, которая характеризуется
величиной постоянной времени и может составлять от десятых долей
секунды до нескольких минут.
Термисторы изготавливают с большим начальным сопротивлением,
что позволяет снизить погрешности, вызываемые изменением
температуры соединительных проводов.
Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной
точностью нормировать их характеристики при серийном производстве,
является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие
характеристик одного экземпляра от другого).
12
Сравнительная таблица трех основных типов
контактных температурных датчиков
Тип датчика
Термистор
ПАРАМЕТР
Эл. сопротивление
Высокая
чувствительность
сопротивлениетемпература
Термометр
сопротивления
Эл. сопротивление
Малая инерционность
Высокое
сопротивление, что
устраняет
необходимость
ПРЕИМУЩЕСТВА
четырех-проводного
включения
Малый размер
Низкая стоимость
Хорошая линейность
характеристики
Высокая стабильность
Термопара
Эл. Напряжение
Широкий
температурный
диапазон
Простота
производства
Низкая стоимость
Высокая
взаимозаменяемость в
Износоустойчивость
широком диапазоне
температур
Не требует
дополнительных
источников энергии
Высокая стабильность
Хорошая
взаимозаменяемость
13
Сравнительная таблица
Тип датчика
Термистор
Нелинейная
характеристика
Термометр
сопротивления
Низкая
чувствительность
Относительно
большая
инерционность
Рабочий диапазон
температур примерно от Необходимость трех-60 до +300 °С
или четырехпроводной схемы
НЕДОСТАТКИ
включения
Взаимозаменяемость
только в узком
диапазоне температур
Чувствительность к
ударам и вибрациям
Необходим источник
тока
Необходим источник
тока
Термопара
Нелинейная
характеристика
Относительно низкая
стабильность
Низкая
чувствительность
Измерение низких ЭДС
может осложниться
электро-магнитными
шумами и наводками
Необходима
компенсация холодных
спаев
Высокая стоимость
14
Погрешности измерения
При измерении температуры контактным методом
необходим тепловой контакт чувствительного элемента
термопреобразователя с объектом измерения, в результате
чего возникает искажение температурного поля в месте
измерения. Уменьшить погрешность контактного метода
измерения температуры можно за счет:
1. Уменьшение лучистого теплообмена с окружающими
поверхностями с помощью экранирующих устройств.
2. Уменьшение передачи теплоты за счет теплопроводности
путем уменьшения диаметра и длины выступающей
наружу части термопреобразователя.
3. Увеличения коэффициента теплоотдачи от измеряемой
среды к термопреобразователю.
15
Измерение температуры бесконтактным
методом
Бесконтактный метод служит для измерений высоких
температур, где невозможно измерять контактными методами и не
требуется высокой точности.
Бесконтактный способ измерения температуры основан на
восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и
воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению
называют пирометрией, а средства измерений – пирометрами
излучения.
Бесконтактные методы измерения температуры теоретически
не имеют верхнего температурного предела своего применения.
Так, температура источника со сплошным спектром излучения,
близкая к 6000°С измеряется теми же методами, что и температура
в 2000 °С
16
Основные методы пирометрии
Радиационная пирометрия использует зависимость энергетической
яркости (интенсивности) излучения от температуры в ограниченном
диапазоне волн — как правило, в инфракрасном диапазоне
(соответственно, измерительные приборы, использующие этот метод,
называются инфракрасными термометрами, инфракрасными
радиометрами или инфракрасными пирометрами).
Принцип, на котором основывается радиационная пирометрия, очень
прост: поскольку яркость излучения объекта прямо пропорциональна
температуре, измерив и пересчитав яркость, можно получить точное
значение температуры. Таким образом, ключевым узлом пирометра,
использующего данный метод измерения, является датчик, который
преобразует тепловую энергию в электрический сигнал (ток или
напряжение). Тепловой луч фокусируется оптической системой,
получившийся на выходе датчика сигнал обрабатывается, а результат
отображается на дисплее (индикация на современных пирометрах, как
правило, цифровая).
17
Радиационные пирометры
1- объект измерения, 2- термобатарея, 3 – оптическая
система, 4 – измерительный прибор.
18
Основные методы пирометрии
Оптическая пирометрия основывается на зависимости
спектральной характеристики излучения от температуры в диапазонах
инфракрасного излучения и видимого света, другими словами, на
зависимости цвета излучения от температуры. Так, тела, нагретые до
700-800° С, испускают темно-оранжевое свечение, при температуре
около 1000° С цвет становится ярко-оранжевым, при 2000° — яркожелтым, а при 2500° С — практически белым.
Известно два основных типа оптических пирометров:
• Яркостный пирометр определяет температуру тела путем
визуального сравнения излучения объекта в видимом спектре с
излучением эталонной нити. Оператор смотрит в окуляр на
измеряемый объект и регулирует величину пропускаемого через нить
электрического тока, при этом нить в окуляре совмещается с
изображением объекта.
19
Основные методы пирометрии
1 – объектив, 2 - диафрагма, 3, 7 – светофильтр, 4 – окуляр, 5 –
пирометрическая лампочка, 6 – реостат, 8 – показывающий прибор.
Как только получается подобрать такое значение, при котором цвет
нити совпадает с цветом объекта, изображение нити как бы
"растворяется" на фоне объекта (отсюда другое название яркостного
пирометра — пирометры с исчезающей нитью). По величине тока
определяется температура измеряемого объекта.
20
Основные методы пирометрии
• Пирометр спектрального отношения сравнивает энергетические
яркости объекта в разных областях спектра. Такой пирометр
использует несколько датчиков (на практике чаще всего пару) и
измеряет энергетические яркости в разных частях спектра, а затем
оценивает их отношение (отсюда другое название — пирометр
спектрального отношения). Мультиспектральные пирометры
обладают большей точностью в сравнении с яркостными, поэтому в
настоящее время используются преимущественно оптические
пирометры данного типа.
21
Сфера применения пирометров
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Сфера применения пирометров необычайно широка:
Измерение температуры труднодоступных и недоступных объектов.
Измерение температур горячих и опасных для здоровья человека сред и
поверхностей.
Объектов, прямой контакт с которыми может повредить форму объекта,
либо измеряемую поверхность.
Температурное сканирование для поиска горячих либо холодных точек.
Мгновенное определение температуры движущихся объектов.
Диагностика и профилактика авто- и ж/д транспорта.
Диагностика тепло- и электрооборудования, облегчение поиска мест
утечек теплоносителей.
Электродиагностика и электроаудит.
Противопожарная безопасность.
Для проверки и контроля систем отопления, вентиляции и
кондиционирования.
Профилактика и диагностика оборудования в любой промышленности.
Контроль за состоянием подшипников вращающихся и трущихся
частей.
22
Применение пирометров
При работе с пирометром следует учитывать, что
измерения нельзя проводить под прямым углом, а также при
углах, превышающих 60°. Нежелательно, чтобы вблизи
измеряемой поверхности находился мощный источник
теплового излучения, поскольку прибор будет воспринимать
переотраженное от измеряемой поверхности излучение этого
источника. И последнее пирометры не измеряют температуру
объекта, находящегося за стеклом, поскольку измерения
проводятся не в оптическом, а в инфракрасном диапазоне, и
стекло для оптики прибора будет не прозрачным, а объектом,
выделяющим излучение.
23
Достоинства и недостатки
Преимущества измерения температуры портативными
пирометрами очевидны:
• Измерения проводятся без прерывания технологического
процесса.
• Увеличение производительности труда благодаря
значительному увеличению скорости измерений.
• Измерения проводятся с безопасного расстояния, что
значительно снижает травмоопасность.
• Простота контроля и регистрации состояния уже
выявленных нарушений при невозможности их быстрого
устранения.
24
Достоинства и недостатки
Первым и самым существенным недостатком
радиационного пирометра является зависимость результатов
измерения от излучательной способности объекта. Что это
значит? Допустим, имеется две металлические емкости —
одна новая (светлая и блестящая), а другая сильно окисленная
(темная и матовая). Если залить обе емкости водой, довести
до кипения (100° С) и измерить температуру радиационным
пирометром, то для окисленной емкости значение будет
соответствовать реальному (около 95° С), а для новой — не
достигнет и 50° С. Объясняется это тем, что при прочих
равных условиях и одинаковой температуре разные объекты
излучают разное количество энергии из-за различной
излучательной способности.
25
Достоинства и недостатки
На величину излучательной способности оказывает
влияние состояние объекта (твердое тело, жидкость или газ),
фактура поверхности (гладкая, шероховатая), наличие
защитных покрытий, пленок, естественных образований
вроде ржавчины, накипи и другие факторы.
Ну, а второй недостаток состоит в том, что точность
радиационных пирометров напрямую зависит от расстояния
до объекта измерения. Поэтому для измерения температуры
труднодоступных или очень горячих предметов
предпочтительно выбирать специальные пирометры с
высоким оптическим разрешением (именно этот параметр
характеризует, насколько далеко может находиться оператор
от объекта без ущерба для точности измерений).
26
Достоинства и недостатки
Спектральные пирометры измеряют температуру, вычисляя
отношение сигналов от двух приемников, которые работают на
разных длинах волн. Такой метод, должен избавлять от основных
проблем, присущих радиационным пирометрам: поскольку
зависимость сигнала от расстояния для обоих датчиков одинакова и
не сказывается на отношении сигналов, точность не зависит ни от
расстояния, ни от излучательной способности объекта. Но
многочисленные исследования, показали, что при использовании
оптического метода излучательная способность, хоть и косвенно, но
все же влияет на результат измерения и приводит к значительным
погрешностям (более 10%) при измерении температур многих
материалов (в частности, металлов). Так же к недостаткам
оптических пирометров относится высокая стоимость, меньшая
надежность.
В ряде случаев предпочтительно применять оптические
пирометры, в частности, при работе в сложных условиях, при
изменяющейся излучательной способности объекта измерения и пр.
27
Измерение уровня
Уровнемер — это прибор, предназначенный для
определения уровня содержимого в открытых и закрытых
резервуарах и хранилищах. Под содержимым
подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе
газообразующие, сыпучие и другие материалы.
Уровнемеры иногда называют датчиками/сигнализаторами
уровня, преобразователями уровня. Тем не менее, главное
отличие уровнемера от сигнализатора уровня — возможность
измерять градации уровня, а не только его граничные
значения.
По режиму работы различают преобразователи для
непрерывного измерения уровня и для контроля в отдельных
точках (реле уровня, переключатели уровня, сигнализаторы
уровня).
28
Методы измерения уровня
• Контактный метод измерений применяется в любых
средах и реализуется обычно в емкостных,
гидростатических, буйковых и поплавковых уровнемерах.
Эти приборы легко установить в резервуаре любой формы
и размера либо в непосредственной близости от него, они
отличаются низкой стоимостью, механической прочностью,
простотой монтажа и надежностью измерений.
• Бесконтактные методы позволяют измерять уровень без
непосредственного контакта с измеряемой средой и
заключаются в зондировании звуком (ультразвуковые),
зондировании электромагнитным излучением (радарные,
рефлексные) и зондировании радиационным излучением.
Такие датчики стоит использовать в агрессивных, вязких,
кристаллизирующихся, пенящихся средах, где есть риск
засорения или коррозии элементов прибора.
29
Выбор уровнемера
При выборе уровнемера необходимо учитывать такие
физические и химические свойства контролируемой среды,
как температура, абразивные свойства, вязкость,
электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д.
Кроме того, следует принимать во внимание рабочие
условия в резервуаре или около него: давление, вакуум,
нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения
(пневматический или механический), наличие мешалки,
огнеопасность, взрывоопасность, пенообразование и прочие
другие.
Также стоит учитывать надежность, качество и стоимость
приборов.
30
Классификация уровнемеров
Уровнемеры разделяют по продукту
(веществу), уровень которого измеряется:
• датчики уровня для жидкостей (вода,
растворы, суспезии, нефтепродукты, масла и
т.п.)
• датчики уровня для сыпучих веществ
(порошки, гранулы и т.п.)
31
Классификация уровнемеров
По принципу действия уровнемеры для жидкостей и сыпучих
веществ разделяются на:
• механические (поплавковые, буйковые) – для измерения уровня
используется поплавок, находящийся на поверхности жидкости
или массивное тело (буёк), частично погружаемое в жидкость;
• гидростатические – основанные на измерении гидростатического
давления столба жидкости;
• электрические – величины электрических параметров зависят от
уровня жидкости;
• акустические (ультразвуковые) – основаны на принципе
отражения от поверхности звуковых волн;
• микроволновые (радарные, волноводные) – основанные на
принципе отражения поверхности сигнала высокой частоты
(СВЧ);
• радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности
потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости
32
Механические уровнемеры
Механические уровнемеры бывают:
• поплавковые, с чувствительным элементом
(поплавком), плавающим на поверхности
жидкости;
• буйковые, действие которых основано на
измерении выталкивающей силы,
действующей на буёк.
33
Механические уровнемеры
34
Механические уровнемеры
Преимущества использования поплавковых уровнемеров:
• Простота.
• Прочность.
• Невысокая стоимость.
• Показания уровня почти не зависят от изменений плотности
жидкости.
• Высокая точность 0.01% и повторяемость 0.005%.
• Не требуется периодическая калибровка.
• Только один подвижный элемент – поплавок.
• Отсутствует дрейф нуля и диапазона.
Недостатки:
• непригодны для клейких жидкостей;
• проблемы с плещущимися жидкостями;
• плавучесть зависит от размеров поплавка;
• точка срабатывания зависит от изменений (колебаний)
плотности вещества.
35
Принцип действия
Среди поплавковых уровнемеров различают:
• сигнализаторы из полипропилена,
• магнитные сигнализаторы уровня,
• магнитострикционные уровнемеры
• герконовые уровнемеры.
36
Принцип действия
Поплавковые сигнализаторы из полипропилена.
Поплавковые сигнализаторы уровня из полипропилена состоят
из корпуса поплавка со встроенным микровыключателем и
присоединительного кабеля. Процесс переключения запускается
качанием датчика, когда он отклоняется от горизонтального
положения в любом направлении. Угол срабатывания составляет
от ±3 до ±18° относительно горизонтальной плоскости.
37
Принцип действия
Магнитный сигнализатор уровня.
• Магнитный сигнализатор уровня состоит
из плавучего тела (поплавка), который
закреплен на подвижном рычаге и имеет
магнитную связь с установленным снаружи
микровылючателем.
Магнитострикционные уровнемеры.
• Магнитострикционные уровнемеры
изготавливаются с одним или несколькими
поплавками. Вариант с двумя поплавками
применяется для измерения уровней раздела
фаз двух жидкостей с разными плотностями.
Направляющая труба может быть жесткой
или гибкой.
38
Принцип действия
Герконовые уровнемеры.
Герконовые уровнемеры, содержат в теле направляющего стержня
цепочку герконов, замыкаемых движущимся магнитом.
39
Применение поплавковых
уровнемеров
Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров,
является высокая точность измерений (± 1…5 мм).
Достаточно широка область применения этого метода.
Температура рабочей среды: - 40…120 ºС, избыточное давление:
до 2 МПа, для преобразователей с гибким ЧЭ - до 0,16 МПа.
Плотность среды: 0,5..1,5 г/см3. Диапазон измерений – до 25 м.
Поплавковый метод может с успехом применяться в случае
пенящихся жидкостей. Типичным применением поплавковых
уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких
нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах
в процессе коммерческого учета.
Метод явно неприменим только в вязких средах, образующих
налипание, отложение осадка на поплавок, а также коррозию
поплавка и конструкции чувствительного элемента
40