Технические измерения и приборы

Лекционный курс по предмету «ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ» Для специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств» Составитель: ст.преподаватель кафедры «АТПиП» Коломоец Марина Владимировна ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ. ЛЕКЦИИ 30 часов(15лекций) ЛАБ. ЗАН.15 часов (на п/гр.) ЗАЧЕТ ЭКЗАМЕН СРС Место дисциплины в институте: одна из профильных дисциплин института. Место дисциплины в изучении специальности: начинает блок специальных дисциплин курсов АТПП и АСОИУ. Дисциплины, используемые в процессе изучения: физика, химия, математика, философия, в дальнейшем: экономика, БЖД, микропроцессоры и т.д. Цель изучения дисциплины: Приобретение знаний и навыков, необходимых для освоения дисциплин специализации. Задачи дисциплины: Формирование системы знаний в области измерений параметров ХТП, с учетом особенностей специальности. Студент, изучивший дисциплину, должен знать: Правила подбора средств измерения; Принцип действия выбираемых СИ; Особенности сочетания выбранных СИ; Студент, изучивший дисциплину, должен уметь: Читать функциональные схемы; Выбирать СИ с учетом особенностей ХТП. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 1. КУЛАКОВ М.В. «Технологические измерения и приборы для химических производств». 2. ФАРЗАНЕ Н.Г., ИЛЬЯСОВ Л.В., АЗИМ – ЗАДЕ А.Ю. «Технологические измерения и приборы». Москва, «Высшая школа», 1989г. 3. ГОЛУБЯТНИКОВ В.А., ШУВАЛОВ В.В. «Автоматизация производственных процессов в химической промышленности». Москва, «Химия», 1985г. 4. «Промышленные приборы и средства автоматизации» под ред. ЧЕРЕНКОВА, 1987г. Лекция № 1 ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ (ГСП). В конце 50– х годов в нашей стране с целью технически и экономически целесообразного решения проблемы обеспечения технологических процессов различных отраслей промышленности средствами автоматического контроля и автоматического регулирования были начаты разработки методов упорядочения и унификации средств автоматизации, которые положили начало созданию Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). ГСП достаточно полно развита и продолжает развиваться. Она охватывает все области приборостроения. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ В основу ГСП положены следующие принципы: • Выделение устройства по функциональным признакам; • Минимизация номенклатуры изделий; • Блочно – модульное построение технических систем; • Агрегатное построение систем управления; • Совместимость приборов и устройств. 1. По функциональным признакам изделия ГСП делятся на 4 группы: 1. устройства получения информации о состоянии процесса (датчики или первичные преобразователи); 2. устройства приема, преобразования и передачи информации по каналам связи (промежуточные преобразователи); 3. устройства преобразования, хранения, обработки информации и формирования команд управления (вторичные приборы, регуляторы или станции управления); 4. устройства использования командной информации для воздействия на объект управления (исполнительные механизмы). Средства измерений входят в число устройств первой и второй из перечисленных групп и представляют собой первичные, промежуточные, масштабирующие (нормирующие) измерительные преобразователи, измерительные приборы и системы. 2. Минимизация номенклатуры изделий. Сочетание известных функций средств измерений и разработка новых позволяют создать неограниченное количество функциональных единиц. По–этому было предложено сократить количество наименований до минимально возможного. 3. Блочно – модульное построение технических систем Средства ГСП состоят из блоков и модулей. Блок – самостоятельная часть средства измерений, выполняющая определенную функцию и конструктивно размещаемая чаще всего в одном корпусе с другими блоками. Модуль – типовая легкосъемная часть блока или средства измерений, объединяющая ряд деталей соответствующего назначения в общей функциональной схеме Блочно – модульный принцип построения средств ГСП обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и стыковки. Это позволяет создавать новые средства измерений и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. 4. Агрегатное построение систем управления Предполагается построение новых средств измерения и систем управления на основе ранее разработанных узлов, зарекомендовавших себя в работе. 5. Совместимость приборов и устройств. Все приборы, блоки и модули должны быть совместимы между собой конструктивно, энергетически, и по уровню сигнала без дополнительных устройств КАЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ 1. По виду используемой энергии – электрические, пневматические, гидравлические, не использующие дополнительных источников энергии (рассмотрено ниже в теме «Основные ветви системы). 2. По функциональному признаку 3. По входным и выходным сигналам измерительные устройства ГСП подразделяются на: 1. Измерительные приборы: а) с естественным входным сигналом; б) с унифицированным входным сигналом. 2. Измерительные преобразователи а) с унифицированным выходным сигналом; б) с естественным выходным сигналом: - перемещение, - угол поворота, - усилие, - интервалы времени, - постоянное и переменное напряжение, - активное и комплексное сопротивление, - электрическая емкость и частота. (Все естественные выходные сигналы должны проходить через нормирующий преобразователь для унификации, т.е. на выходе получается унифицированный сигнал). в) с дискретным (контактным) выходным сигналом. Под естественным выходным сигналом понимают выходную физическую величину первичного измерительного преобразователя, полученную однократным простым преобразованием измеряемой физической величины и несоответствующую по параметрам унифицированным сигналом. При этом под простым преобразованием понимают только преобразование, обеспечиваемое используемым для измерения физическим явлением. ОСНОВНЫЕ ВЕТВИ СИТЕМЫ В зависимости от рода используемой энергии средства измерений и вспомогательные устройства ГСП подразделяют на 4 самостоятельные ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую и не использующую вспомогательной энергии. Все средства измерений и устройства электрической, пневматической и гидравлической ветви имеют унифицированные входные и выходные сигналы, перечень которых приведем ниже. Вид сигнала Физическая величина Параметры сигнала Электрический Постоянный ток 0 ÷ 5; 0 ÷ 20; -5 ÷ 0 ÷ 5; 4 ÷ 20 мА. Постоянное напряжение 0 ÷ 10; 0 ÷ 20; -10 ÷ 0 ÷ 10 мВ; 0 ÷ 10;0 ÷ 1; -1 ÷ 0 ÷ 1 В Переменное напряжение 0 ÷ 2; -1 ÷ 0 ÷ 1 В Частота 2 ÷ 8; 2 ÷ 4 кГц Пневматический Давление 0.2 ÷ 1 кгс / см^2 (0,02 ÷ 0.1 МПа) Гидравлический Давление 0.1 ÷ 6.4 МПа Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигнала. Этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП. В системе ГСП различают: электропневматические, пневмоэлектрические и нормирующие преобразователи. Под нормирующим преобразователем понимают преобразователь, переводящий электрический сигнал в стандартную форму унифицированного сигнала. Измерительные устройства и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качества продукции. В ГСП предусмотрено несколько видов конструктивного исполнения средств измерений: нормальное (обычное), пыле -, брызго- и взрывозащищенное. Нормальное исполнение предназначено для средств ГСП, работающих в нормальных условиях. Пылезащищенное исполнение предназначено для устройств, работающих в сильно запыленной среде, например на заводе техуглерода. Брызгозащищенное исполнение выпускается для работы в условиях высокой влажности. искро- и взрыво- защищенное исполнение используется на химических производствах, имеющих высокой уровень пожаровзрывоопасности. Приборы в этом исполнении имеют усиленное заземление и двойной корпус, предотвращающий выход взрыва в атмосферу. НОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ Все ранее рассмотренные характеристики измерительных устройств принято называть метрологическими, т.к. они влияют на точность осуществляемых с помощью этих устройств измерений. Средства измерений, в том числе и измерительные устройства, допускаются к применению только в том случае, если установлены нормы - нормированы их метрологические характеристики. Сведения о последних приводятся в технической документации. Нормирование метрологических характеристик средств измерений ГСП осуществляется по группам, выделенным в зависимости от функционального назначения. Повторить из предмета «Метрология» темы: средства измерения, погрешности, нормирование погрешностей СИ, класс точности и его обозначение. Средства измерений ГСП, служащие для технологических измерений, в основном являются аналоговыми и имеют малую случайную составляющую погрешности. Поэтому их метрологические характеристики нормируются комплексами, включающими обычно: номинальную функцию преобразования, предел допускаемой основной погрешности, предел допускаемой вариации, динамическую характеристику, номинальное значение входного импеданса, номинальное значение выходного импеданса (для измерительных преобразователей), предел допускаемой дополнительной погрешности (для некоторых измерительных приборов). Выбор нормируемых метрологических характеристик зависит от вида средства измерений и осуществляется в процессе разработки, освоения производства и аттестации средства измерений данного типоразмера. Посредством нормирования метрологических характеристик обеспечивается взаимозаменяемость средств измерений и единство измерений в государственном масштабе. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ. В ГСП, несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и используемых для этого принципов измерений, применяются четыре структурные схемы измерительных устройств, а именно: • Схема однократного прямого преобразования, • Схема уравновешивающего преобразования (компенсационная), • Схема последовательного прямого преобразования, • Схема дифференциального прямого преобразования. Применение упомянутых схем будет рассмотрено в составе конкретных измерительных устройств. Лекция № 2 ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ. Средства измерения прямого преобразования и сравнения. Структурная схема СИ определяется методом преобразования. Для удобства анализа различных измерительных устройств их принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала Х в выходной У. Рассмотрим структурные схемы измерительных устройств прямого действия и сравнения. Первые часто называют измерительными устройствами прямого преобразования ( схема а), а вторые – измерительными устройствами уравновешивающего или компенсационного преобразования (схема б). Измеряемая физическая величина Х поступает на чувствительный элемент 1, где преобразуются в другую физическую величину, удобную для дальнейшего использования (например: ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме (в частном случае может и отсутствовать). Выходной сигнал с элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. выходной сигнал У (показание), формируемым измерительным прибором может быть воспринят органами чувств человека. Отличительной особенностью приборов, основанных на методе уравновешивающего преобразования является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразователь 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения или компарирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на вход элемента 5 подается с противоположным знаком величина Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значений величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряющего параметра и соответствующем ему значении Z разность (Z - Zур), поступающая на вход элемента 5. может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине. Схемы а и в имеют сигнал, недоступный для восприятия человеком, но могут быть использованы для передачи на расстояние, хранения и обработки информации благодаря оконечному преобразователю 7, предназначенному для формирования выходного сигнала (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т.д.). Данные схемы могут быть как ручными, так и автоматическими. ТИПОВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ. Системой автоматического контроля называют систему, состоящую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения. В большинстве случаев система автоматического контроля одной величины включает четыре элемента: объект измерения, чувствительный элемент, линию связи и измерительное устройство. Под объектом измерения понимают сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство совместно со всеми остальными параметрами. Физическую величину, которая выбрана для измерения, называют измеряемой величиной. Чувствительный элемент устанавливают непосредственно в объекте контроля, он воспринимает величину контролируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в соответствующий сигнал, поступающий по линии связи к измерительному устройству. Структурные схемы такой системы показаны на рис. 1а, б, в, где каждый из элементов представлен прямоугольником; стрелки между прямоугольниками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами на входе и выходе, называемыми также входными и выходными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т.е. от объекта к измерительному устройству. Такие системы автоматического контроля называют разомкнутыми. В некоторых системах контроля чувствительный элемент является измерительным элементом устройства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы контроля соответствуют схемам 1б, в. Если измерительный прибор, например термометр или манометр устанавливают непосредственно на объекте, то системе контроля соответствует схема на рисунке 1б. если же измерительный прибор, например манометр установлен на небольшом расстоянии от объекта и соединен с объектом линией связи (трубкой), то системе контроля соответствует схема 1в. Системы автоматического контроля подразделяются на местные, дистанционные и телеизмерительные. Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чувствительного элемента), называют местными. Автоматический контроль можно осуществлять и на расстоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устройством. В этих случаях система местного контроля усложняется введением в измерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональный пневматический или электрический сигнал. Последний содержит информацию о величине измеряемого параметра и по соответствующей линии связи передает ее другому измерительному устройству, расположенному на расстоянии от объекта контроля. Во втором измерительном приборе осуществляется обратное преобразование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерения. Подобные системы автоматического контроля называются дистанционными. Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы. Причём, первичным прибором называется прибор который первый контактирует с измеряемой средой. Вторичным называется прибор который принимает сигнал от первичного и преобразует его в форму удобную для восприятия оператором. В зависимости от вида используемой энергии дистанционные системы подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические. Для передачи результатов измерения на расстояния в десятки и сотни километров применяют телеизмерительные системы контроля. В таких системах результат измерения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигналы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксируются в цифровой и аналоговой форме. Для контроля за работой сложных производственных процессов применяют системы централизованного контроля. В этом случае вторичные приборы устанавливаю на центральном щите. Выходная информация, которая используется для воздействия на контролируемый процесс, называется оперативной. Чтобы сократить выходную информацию о большинстве контролируемых величин ее можно заменить сигнализацией, которая включается только тогда, когда какая-либо контролируемая величина достигает некоторого наперед заданного значения. Обычно при отклонении контролируемого параметра от заданного значения машина выдает световой и звуковой сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены оператором по вызову. Отклонения контролируемых параметров от пределов установленных пределов измерения регистрируются в непрерывной или цифровой форме. Лекция № 4 ОБОЗНАЧЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМАХ. Функциональной схемой называется принципиальное отображение аппаратов, связывающих их трубопроводов и средств автоматизации, расположенных на одном чертеже. Схема технологического процесса занимает 2/3 чертежа по вертикали и горизонтали. Остальное пространство занимают таблицы (над штампом) и расположение системы автоматического управления (нижняя часть чертежа, до штампа). Аппараты отображаются в приближенном масштабе, исходя из технических характеристик оборудования, которые указываются в технологическом или техническом регламенте процесса. Насосы устанавливаются на чертеже ниже основного оборудования, приблизительно на одном уровне, т.к. при работе они используют силу тяжести среды и устанавливаются на уровне земли (чаще всего в одном помещении, предназначенном для насосов). Вещества, проходящие по трубопроводам, обозначаются в зависимости от агрегатного состояния либо пустой стрелкой (газ, пар) либо закрашенной (жидкость, смесь), стрелка представляет совой равносторонний треугольник со стороной 5 мм. Так как проект представляет незначительно изменённую часть реальной технологической схемы то указывается направление потоков с указанием номеров цехов, названий технологических операций куда(откуда) идут технологические потоки. Для сокращения числа надписей на чертежах основные вещества обозначаются в виде 27-ми цифр, составляющих основной перечень. В случае, если используется вещество, не указанное в данном списке, ему присваивается номер, начиная с 28-ми и далее. Цифры, обозначающие вещества, устанавливаются в разрывах трубопровода с периодичностью каждые 10 – 15 см. или на каждом участке трубопровода, требующем уточнения. Размеры шрифтов выбираются исходя из приоритетов, т.е. чем важнее обозначение тем крупнее шрифт. Например, в первую очередь на чертеже читают оборудование по этому размер шрифта оборудования выбирается наибольший из используемых. Толщина трубопроводов на чертеже задаётся в зависимости от реальных диаметров условно. При отображении функциональных схем трубопроводы не должны пересекать контуры аппаратов. Изгиб трубопроводов разрешается только под прямым углом. Пересечение трубопроводов на чертежах происходит без дополнительных обозначений, за исключением сочленений или разветвлений трубопроводов. В этом случае на пересечении ставится точка. Провода на чертеже указываются тонкими линиями (в 2 – 3 раза тоньше трубопровода). Провода так же как и трубопроводы разрешается перегибать только под прямыми углами. ВАЖНО: Для упрощения чтения схем пересечение линий одинакового функционального назначения не допускается. Расстояние между двумя любыми соседними точками на чертеже не должно быть меньше трёх мм. ОБОЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ. Приборы обозначаются в виде окружностей диаметром 10 мм., в случае большого числа обозначений – овалом высотой 10 мм. В случае расположения прибора на щите по центру окружности горизонтально проводится линия. В верхней половине окружности перечисляются функции прибора, в нижней – порядковые номера приборов. Первый номер указывает номер контура, второй – номер прибора в контуре. Функциональные обозначения прописываются исходя из англоязычного обозначения заглавными буквами. Функции прибора прописываются в три этапа в зависимости от места обозначения. На первом месте обозначаются измеряемые параметры: Т – температура; Р – давление, L – уровень, F – расход, М – влажность, Q – состав или качество, А - электрические параметры. И т.д. На втором месте – функции прибора: Т – стандартный сигнал, пригодный для передачи, Е – первичное преобразование в сигнал, чаще всего нестандартный, Y – преобразование одного вида сигнала в другой при передаче, J – обегание сигнала (т.е. прибор по очереди опрашивает – обегает первичные датчики), I – прибор имеет шкалу или показывает (индикация), Н – ручное управление, А – сигнализация, S – блокировка, D – перепад, К – прибор имеет задатчик, G – указатель положений. И т.д. На третьем месте – дополнительные функции прибора: R – регистрация (запись), С – управление (регулирование), К – прибор имеет задатчик, G – указатель положений. И т.д. Существует правило, что при отсутствии обозначения на своем месте указываются последующее, например: HS – кнопка, TR – прибор регистрации температуры и т.п. Кроме того, существуют резервные обозначения X, Y, Z, которые могут быть присвоены специфическим параметрам процесса. Их необходимо уточнять исходя из технологической схемы. Попробуем прочитать следующие обозначения: QIR, TE, LT, PIA. КОНТУР КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. Где Е/Е – преобразование первичного измерительного сигнала в стандартный электрический сигнал, пригодный для дальнейшей передачи. Е/Р – преобразование стандартного электрического сигнала в пневматический (сигнал в виде давления сжатого воздуха). Из схемы видно, что первичный датчик температуры обладает нестандартным выходным сигналом (например ТС), требующим преобразования, а вторичный прибор (1-4) является пневматическим и расположен на щите. КОНТУРА СИГНАЛИЗАЦИЙ И БЛОКИРОВОК. Где Н – обозначает ограничение «не больше», L – «не меньше». В случае срабатывания блокировок клапан, в зависимости от исполнения, полностью откроется или закроется, предотвращая аварийную ситуацию. Клапана отображаются знаком размером 7х3 мм., длина штока 10 мм., квадрат -5х5мм. В зависимости от исполнения стрелка на штоке меняет направление. Если клапан нормально открытый (НО), то стрелка направлена в сторону квадрата, в этом случае управляющее воздействие клапан закрывает. В противном случае, клапан называется нормально закрытым (НЗ), стрелка направлена к исполнительному механизму. КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ. Лекция № 5. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В устройствах для измерения температуры обычно используют изменение какого – либо физического свойства тела, однозначно зависящего от его температуры и однозначно поддающегося измерению. К числу свойств, положенных в основу работы приборов и преобразователей для измерения температуры, относятся: объемное расширение тел, изменение давления вещества в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучения нагретых тел и др. Температурные шкалы При измерении температуры используют две шкалы: термодинамическую, основанную на втором законе термодинамики, и Международную практическую (МПШ – 80). На термодинамической шкале температуру обозначают символом Т и выражают в кельвинах (К), единицей измерения температуры (t) в Международной практической шкале служит градус Цельсия (°С), 1°С = 1°К. Количество температуры в термодинамической и Международной практической шкалах связаны соотношением: Температуру измеряют двумя способами – контактным и бесконтактным. Контактный способ Основан на прямом контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом. При измерении температуры этим способом добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта Контактный способ широко применяют при проведении научно - исследовательских работ и в промышленности, т.к. при этом способе обеспечивается высокая точность и надежность измерений, возможность передачи показаний на расстояние и др. однако, ему присущи и некоторые недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него теплоприемника; верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики; ряд задач измерения температуры объектов, которые недоступны для размещения чувствительных элементов, или узлов объектов, движущихся с большой скоростью, также не может быть решен контактным способом. Бесконтактный способ Основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта. Теоретически, верхний предел измерения этим способом неограничен, однако бесконтактный способ менее точен, чем контактный. Для измерения температуры бесконтактным способом применяют пирометры излучения. Последние основаны на изменении интенсивности теплового излучения нагретых тел при изменении температуры. К пирометрам излучения относятся пирометры частичного излучения (оптические), рассчитанные на пределы от 400 до 5000°С, пирометры полного излучения с пределами 100 ÷ 2500°С и пирометры спектрального отношения (цветовые) с пределами 500 ÷ 2800°С. При измерении температуры пирометрами частичного и полного излучения необходимо вводить поправку на степень черноты тела, температура которого измеряется. Пирометры излучения применяют, как правило, для определения температуры тел, нагретых до видимого свечения. Погрешности пирометров излучения составляют 0.5 ÷ 2%. Наибольшее распространение в химических производствах получили приборы и преобразователи температуры, основанные на контактном способе измерения. В зависимости от физических свойств, на которых основано действие термометров при контактном способе измерения, различают: термометры расширения, манометрические термометры, преобразователи термоэлектрические и термопреобразователи сопротивления. Термометры расширения Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменении температуры тела. Действие жидкостных стеклянных термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт и другие органические жидкости) и оболочки, в которых оно находится (термометрическое стекло или кварц). Такие термометры, как правило, используются в промышленности и в лабораторной практике для местных измерений температуры в пределах от -200 до +600 °С с высокой точностью. Цена деления, например, образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы может составлять 0.01 °С. Изготавливаются лабораторные термометры типа ТЛ на пределы измерения от -100 до +500 °С; термометры промышленные типа ТП на пределы от -30 до +500 °С; термометры технические типа ТТ на те же пределы и др. Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров – простота и высокая точность измерения; недостатки – невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние, значительна тепловая инерция, невозможность ремонта. Работа деформационных термометров основана на различии коэффициентов линейного расширения твердых тел, из которых выполнены чувствительные элементы этих термометров. К деформационным относятся дилатометрические и биметаллические термометры, отличающиеся по конструкции. Манометрические термометры Основаны на изменении давления газа, жидкости или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, при изменении температуры. Основными составляющими являются термобаллон, капиллярная трубка и манометр. Термобаллон погружается в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества. По капилляру это давление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка или перо прибора. В зависимости от вида рабочего (термометрического) вещества, заполняющего термосистему, манометрические термометры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные. В газовых манометрических термометрах ТПГ-100 в качестве рабочего вещества применяется обычно азот. Пределы измерения от -200 до +600°С. Шкала приборов равномерная. В жидкостных манометрических термометрах ТЖП-100 термосистема заполнена силиконовыми жидкостями. Пределы измерения от -50 до 300°С. Шкала равномерная. В конденсационных манометрических термометрах ТКП-100 рабочим веществом являются низкокипящие органические жидкости (ацетон, фреон, хлористый метил и др.). Термобаллон конденсационных термометров на 2/3 заполнен рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Пределы измерения от -20 до +300°С. Конденсационные термометры имеют неравномерную (сжатую в начале) шкалу, что обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от его температуры. Манометрические термометры имеют основную погрешность измерения, вызываемую несовершенством работы трубчатой пружины и отсчетного устройства и ряд дополнительных погрешностей. Их источниками являются: изменение атмосферного давления (барометрическая погрешность); влияние температуры окружающей среды на капиллярную трубку и манометрическую пружину (температурная погрешность); воздействие гидростатического давления столбов жидкости (гидростатическая погрешность). Достоинствами манометрических термометров всех видов являются взрыво - и пожаробезопасность, простота конструкции и обслуживания, надежность, возможность дистанционного измерения и автоматической записи температуры. К их недостаткам относятся невысокая точность измерений, большие размеры термобаллона, значительная инерционность. Преобразователи термоэлектрические (ТЭП) Принцип работы ТЭП состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В и нагреть один ее спай, то в цепи возникнет электрический ток (рис. а). Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим спаем ТЭП, второй носит название свободного. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых различно для разных металлов. Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов. Если спаяны однородные проводники, концы которых нагреты до разных температур, то свободные электроны диффундируют из более нагретых частей проводника в мене нагретые с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. Более нагретые концы проводников заряжаются положительно до тех пор, пока не наступает равновесное состояние за счет создания разности потенциалов, действующей в направлении, обратном тепловой диффузии электронов. Электронная теория дает лишь физическое (качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное определение термо – ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся на единицу объема, не поддается количественному учету, и не известен закон их изменения с изменением температуры. Из сказанного следует, что в простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникают 4 различные термо – ЭДС: две термо – ЭДС в местах спая проводников А и В, термо – ЭДС на конце проводника А и термо – ЭДС на конце проводника В. Учитывая оба фактора, определяющие суммарную термо-ЭДС замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температур t и t0, обходя цепь в направлении против часовой стрелки, получим Где ЕАВ (tt0) – суммарная ТЭДС ТЭП; еАВ(t), еВА(t0) – потенциалы, возникающие в спаях. Если температура спаев одинакова, то термо – ЭДС в цепи равна нулю, так как в обоих случаях возникают термо – ЭДС, равные по величине и противоположно направленные. Следовательно, при t = t0 Откуда Подставив последнее выражение в первое уравнение получим (*) Откуда следует, что термо – ЭДС представляет собой сложную функцию двух переменных величин t и t0, т.е. температур обоих спаев. Так как потенциалы спаев зависят от температуры, суммарная ТЭДС равна разности функций t и t0 Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая, что t0 = const, т.е. f2(t0) = const, получим: или . Таким образом, если для данного ТЭП экспериментально найдена эта зависимость, то измерение неизвестной температуры сводится к определению ТЭДС ТЭП, которая невелика (от 0.01 до 0.06 мВ на 1°С), но все же достаточна для измерения прибором. Лекция 6 Включение третьего проводника в цепь термоэлектрического преобразователя 9.04Д)Для включения измерительного прибора необходимо разорвать электрическую цепь. Разрыв можно произвести в спае с температурой t0 (рис.3.) или в одном из термоэлектродов. Несмотря на внешнее отличие схем на данных рисунках 3 и 4 от схемы рис.1., термо – ЭДС, развиваемые термоэлектрическим преобразователем (ТЭП), одинаковы, если температуры t, t0 и температуры концов проводника С также одинаковы. Для схемы на рис.3. Если t = t0, т.е. температуры спаев равны, то Из последнего уравнения очевидно, что или Подставив это значение в предыдущее уравнение получим уравнение (*). Для схемы на рис. 4: Если учесть далее, что и , то последнее уравнение превращается в уравнение (*). Из этого следует, что термо-ЭДС термоэлектрического термометра не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. Практически это означает, что в цепь ТЭП можно включать соединительные провода, измерительные приборы. Чаще всего третий проводник включаю по схеме, показанной на рис.3. способ изготовления спаев ТЭП (сварка, пайка) не влияет на величину термо – ЭДС термометра, если размеры их таковы, что температура во всех точках одинакова. При различных температурах концов третьего проводника термо – ЭДС термоэлектрического термометра уменьшится на величину термо – ЭДС паразитной пары АС (рис.3.) или ВС (рис.4.) при температурах на концах проводника t1 и t1' или t0 и t0'. В связи с этим в термоэлектрической цепи желательно применять проводники, незначительно различающиеся по термоэлектрическим свойствам от термоэлектродов ТЭП. Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя При введении в цепь ТЭП третьего проводника (рис. б) ТЭДС не изменяется, если концы проводника имеют одинаковые температуры. Поэтому включение в цепь ТЭП соединительных проводов, измерительных приборов от подгоночных сопротивлений не отражается на точности измерения. ТЭП, как правило, градуируются при температуре свободного спая t0 = 0 °С. В действительности же, температура свободных спаев ТЭП отличается от нуля, поэтому для нахождения действительной температуры вводят поправку по уравнению: где ЕАВ (tt0) - ТЭДС, развиваемая ТЭП при температурах рабочего t и свободного t0 = 0 °С спаев; -- ТЭДС, развиваемая ТЭП при температурах рабочего t и свободного спаев; – ТЭДС, развиваемая ТЭП при температуре рабочего спая и свободного t0. Знак “+” относится к случаю, когда , а “-” к случаю . Возьмем, для примера, разницу температур между горячим и холодным спаями в 100 °С, то есть при температуре свободного спая t0 = 0 °С и при температуре рабочего спая t = 100 °С. Если температура окружающей среды превышает номинальную, то при увеличении температуры окружающей среды разность температур горячего и холодного спаев уменьшается, уменьшая рабочую ЭДС. По-этому для компенсации уменьшения ЭДС необходимо искусственное увеличение ЭДС. Зависимость между ТЭДС, развиваемой ТЭП, и температурой для ТЭП различных типов даются в градуировочных таблицах. Термоэлектродные материалы и термоэлектрические преобразователи Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются. Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на величину возникающей ТЭДС свободные концы ТЭП термостатируют или применяют специальные компенсирующие устройства. ТЭП соединяют с вторичными приборами термоэлектродными проводами, из таких же материалов, что и ТЭП, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 °С ТЭДС, равную ТЭДС ТЭП. Любая пара разнородных проводников может образовывать ТЭП. Однако не всякий ТЭП пригоден для практического применения, т.к. современная техника предъявляет к материалам термоэлектродов определенные требования: • Устойчивость к воздействию высоких температур, • Постоянство трмо – ЭДС во времени, • Возможно большая величина термо – ЭДС и однозначная зависимость ее от температуры, • Небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводимость, • Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимозаменяемость термоэлектрических термометров. Всем указанным требованиям не удовлетворяет полностью ни один из известных термоэлектродных материалов, поэтому на практике приходится пользоваться различными материалами в разных пределах измеряемых температур. Для всех металлов и сплавов функциональная зависимость термо – ЭДС сложна, и выразить ее аналитически затруднительно. Исключение составляет лишь пара платинородий – платина, для которой зависимость термо – ЭДС от температуры в интервале от 300 до 1300 оС при температуре t = 00С достаточно точно совпадает с параболой где а, в, с – постоянные, определяемые по температурам затвердевания сурьмы (630.74 оС), серебра (961.93 оС) и золота (1064.43 оС). Классификация и условия работы термоэлектропреобразователей (по ГОСТ Р 8.585) Принято 6 основных типов - нормированных стандартных характеристик (НСХ) технических ТЭП с металлическими термоэлектродами: 1. Платинородий (90 % Pt + 10% Rh) – платиновые ТЭП (тип ТПП). В зависимости от назначения эти преобразователи подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие. Они надежно работают в нейтральной и окислительной средах, но быстро разрушаются в восстановительной атмосфере. Также вредно действуют на платину пары металла и углерод, потому при промышленных измерениях требуется тщательная изоляция ТЭП от непосредственного воздействия измеряемой среды. ТЭП типа ТПП по жаростойкости и постоянству термо – ЭДС лучшие из всех существующих. Они долговечны. К недостаткам этих ТЭП следует отнести малую термо – ЭДС по сравнению с другими ТЭП. 2. Платонородий (30% Rh) – платинородиевый (6% Rh) ТЭП (тип ТПР). Особенностью ТЭП является развитие очень малой термо – ЭДС, что не требует введения поправки на температуру свободных концов. ТЭП типа ТПП и ТПР изготовляют обычно в виде проволоки диаметром 0.5 или 1 мм, которую изолируют фарфоровыми бусами или трубками. 3. Хромель (90.5% Ni + 9.5% Cr) – алюмелевый (94% Ni + 2%Al + 2.5%Mn + 1%Si + 0.5% примесей). ТЭП (тип ТХА) применяют для измерения температур до 1000оС. Так как кривая зависимости термо – ЭДС от температуры близка к прямой. Большое содержание никеля в сплаве обеспечивает стойкость ТЭП против окисления и коррозии, а восстановительная среда вредно действует на проводники. 4. Хромель – копелевый (56% Cu + 44% Ni) ТЭП (тип ТХК) из всех стандартных ТЭП развивает наибольшую термо – ЭДС, что позволяет изготовлять термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой. Например с диапазоном от 0 до 300оС. Стандартные ТЭП типа ТХА и ТХК изготавливают из проволоки диаметром 0.7 ÷ 3.2 мм и изолируются керамическими бусами. 5. Вольфрам – рений (5% Re) – вольфрам-рениевый (20% Re) (тип ТВР) и вольфрам – рений (10%) – вольфрам-рениевый (20%Re) применяют для измерения температур до 2300оС в нейтральной и восстановительной средах, а также в вакууме. Также их используют для измерения температуры расплавленных металлов. В особых случаях применяют и нестандартные ТЭП. Из них чаще всего используют медь - константановые (60%Cu + 40%Ni), железо – константановые, медь – копелевые. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги корродирует и меняются его термоэлектрические характеристики. Нестандартные ТЭП при изготовлении обязательно градуируют. Кроме того, осваиваются ТЭП с унифицированным выходным сигналом 0÷5, 4÷20 мА (ТППУ на пределы от 600 до 1300 °С) и др. ТЭДС, развиваемую ТЭП обычно измеряют потенциометрическим методом. По международным обозначениям приняты 9 стандартных градуировочных характеристик МТШ – 90, а также эталонные термопары типов ТПП и ТПР с индивидуальными градуировочными характеристиками. Эти стандартные градуировочные характеристики соотносятся с характеристиками по ГОСТ Р 8.585 следующим образом: Термопары с НСХ Тип Тип В (платинородий 30% / платинородий 6%) ТПР Тип Е (хромель / константан) ТХКн Тип J (железо /константан) ТЖКн Тип К (хромель / алюмель) ТХА Тип L (хромель / копель) ТХК Тип N (нихросил / нисил) ТНН Тип R (платинородий 13% / платина) ТПП Тип S (платинородий 10% / платина) ТПП Тип T (медь / константан) ТМКн Пределы допускаемой основной погрешности преобразования термопар представлены в следующей таблице: Тип термопар Диапазон температур, 0С Погрешность преобразования, 0С, не более B +350 … +1820 ±0,2 E -200 … +1000 ±0,2 J -210 … +900 ±0,2 K -200 … +1372 ±0,2 L -200 … +800 ±0,2 N -200 … +1300 ±0,2 R 0 … +1768 ±0,2 S 0 … +1768 ±0,2 T -200 … +400 ±0,2 Лекция№5 Потенциометрический метод Потенциометрический метод измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Рис.1. принципиальная схема потенциометра. На схеме ток от вспомогательного источника Б с сухого элемента с разностью потенциалов UБ проходит в первой цепи, в которую между точками А и В включен калиброванный проволочный резистор RАВ, называемый реохордом. Для него справедливо соотношение: (1.2) ток в этой цепи выразится (1.3) Вторая цепь включает ТЭП, чувствительный нуль-прибор НП, являющийся индикатором наличия тока в цепи ТЭП, и участок реохорда l между точкой А и скользящим контактом D. ТЭП в этой цепи включен так, что на участке сопротивления RАD ток идет в том же направлении, что и от источника Б. При можно найти такое положение точки D на реохорде RАВ при котором ток в цепи термопары i2 станет равным нулю и стрелка НП установится на нулевом делении шкалы. При этом Е(tt0) = i1 RАD (1.4) Учитывая при этом соотношения (1.2) и (1.3) из уравнения (1.4) найдем Е (tt0) = UВ (l/L). (1.5) Следовательно, ТЭДС ТЭП ЕАВ (tt0) определяется падением напряжения на участке l реохорда и не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивления цепи ТЭП. Реохорд снабжают шкалой, градуированной в милливольтах или градусах. При измерении таким методом ток в первой цепи нужно поддерживать на постоянном уровне. Милливольтметры Магнитоэлектрические приборы, состоящие из магнитной рамки, постоянного магнита и отсчетного устройства. Милливольтметр может использоваться в качестве вторичного прибора по отношению к ТЭП. Промышленное обозначение вторичных приборов температуры. На практике один вторичный прибор может фиксировать значения от нескольких первичных приборов температуры и поэтому такие приборы называются комплексами самописцев. Комплексы самописцев мостовые выпускается на одну, три, шесть и двенадцать точек опроса. Градуировка моста должна совпадать с градуировкой термометра сопротивления, с которым КСМ работает. Аналогично работает комплекс самописцев потенциометрический (КСП) и его градуировка должна совпадать с градуировкой ТЭП. Кроме того, КСМ и КСП могут обладать рядом дополнительных функций, которые отражаются номером модели. Логометры в справочниках обозначаются Ш. Термопреобразователи сопротивления (ТС) Измерение температуры ТС основано на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников с изменением температуры. Зная эту зависимость, моно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен ТС. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а полупроводников снижается. Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением Rt = Rt’[1+ά(t- t’)], где Rt – сопротивление металлического проводника при температуре t °С; Rt’ - сопротивление того же того же проводника при температуре t’°С; (t-t’) - интервал изменения температуры; ά = (Rt - Rt’)/[Rt’ (t- t’)]- коэффициент температурного сопротивления. Зависимость между сопротивлением и температурой для ТС различных типов дается в градуировочных таблицах. Для изготовления ТС наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам платина и медь. Для платины άPt ≈ 3/9 * 10-3 (°С)-1; для меди άCu ≈ 4/28*10-3 (°С)-1. Чувствительные элементы ТС представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку с литой головкой, в которой смонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам. Вход проводов в корпус ТС заливается термоцементом или смолой для изоляции чувствительных элементов (ЧЭ) от воздействия окружающей среды, в которой могут находиться пары веществ, разрушающие поверхность ЧЭ и меняющие рабочие характеристики ТС. Для удобства эксплуатации в одном корпусе могут располагаться два чувствительных элемента. Применяют такие ТС в аппаратах, работающих под высоким давлением или температурой, или в контурах, требующих дублирования (подтверждения) текущей информации о технологическом процессе. Последний случай имеет место в дублированных или троированных системах управления, то есть там, где достоверность информации имеет первостепенное значение. В качестве вторичных приборов в комплекте с ТС применяют обычно уравновешенные мосты. В настоящее время производства переоборудуются с использованием новых микропроцессорных систем. При вводе сигналов в систему необходимо, чтобы они имели стандартные числовые характеристики. Для этого сигналы от ТС и ТЭП проводят через нормирующие преобразователи (соответственно для ТС и ТЭП), барьеры, обладающими функциями НП. Или ТС и ТЭП подключают к специальным вводам процессора « для ТП и ТЭП» для последующей обработки по программам нормирования, «зашитым» в процессоре. Пределы допускаемой основной погрешности преобразования термометров сопротивления представлены в таблице: Тип термометра сопротивления Диапазон температур, 0С Погрешность преобразования, 0С, не более Pt′ 10 -200 … +600 ±0,016 Pt′ 50 -200 … +600 ±0,011 Pt′ 100 -200 … +600 ±0,011 Cu′ 10 -10 … +200 ±0,009 Cu′ 50 -10 … +200 ±0,006 Cu′ 100 -10 … +200 ±0,005 Уравновешенные мосты. Рис.1 . Принципиальная схема уравновешенного моста. Мост состоит из четырех вершин a,b,c,d, расположенных на соединении плеч ad, db, ac, cd. Он построен на основе равновесия противостоящих плеч и изменение сопротивления может быть измерено на основе нарушения равновесия. Термометр сопротивления, величина электрического сопротивления Rt которого должна быть измерена, включается в одно из плеч моста через соединительные провода, имеющие сопротивления RЛ. Другие плечи моста состоят из постоянных манганиновых резисторов R1 и R­2 и переменного калиброванного резистора – реохорда RР, выполненного так же из манганина. К одной из диагоналей моста подключен источник питания, а к другой диагонали моста – нуль прибор НП. При равновесии моста удовлетворяется равенство R1(Rt + 2RЛ) = R2RР, откуда Rt = (R2/R1)RР – 2RЛ. В этом случае разность потенциалов Ubd станет равной нулю, ток не будет протекать через НП и его стрелка установится на нулевой отметке. При изменении температуры сопротивление Rt изменится, и мост разбалансируется. Чтобы восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях резисторов R1 и R2 и сопротивлении линии RЛ изменить величину сопротивления реохорда RP, переместив его движок. Таким образом, если откалибровать реохорд RP, то по положению его движка при равновесии моста можно однозначно судить о величине сопротивления Rt и, следовательно, об измеряемой температуре. Включение моста по трехпроводной схеме В условиях производства расстояние между ТС и мостом может достигать нескольких километров. Если учитывать, что соединяющие их провода проходят по коробам (металлическим перфорированным желобам), расположенным на эстакадах, то становится очевидным влияние сопротивления проводов в зависимости от температуры окружающей среды на изменение Rt . Это приводит к значительным погрешностям измерения сопротивления. Приборы, работающие по принципу уравновешивания симметричны. Погрешность обусловлена нарушением равновесия в системе моста относительно вершин с,d. Если вершину b перенести к основанию Rt ,то система восстановит симметричность, погрешность уменьшится (видно из уравнения). Лекция № 7. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ. Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости и др. Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение). Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью выкачан воздух. Избыточное давление – разность между абсолютным и барометрическим давлением. Вакуум (разрежение) – разность между барометрическим и абсолютным давлением. В международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) – давление, создаваемое силой в один ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью в 1кв.м. и направленной нормально к ней. Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей их применения в технологии и научных исследованиях, обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм – сила на квадратный метр, миллиметр водного столба. Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на: • Манометры избыточного давления – для измерения избыточного давления; • Манометры абсолютного давления – для измерения абсолютного давления; • Барометры – для измерения атмосферного давления; • Вакуумметры – для измерения вакуума (разряжения); • Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения). Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение: • Напоромеры – манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа); • Тягомеры – вакуумметры с верхним пределом не более - 40 кПа; • Тягонапоромеры – мановакуумметры с пределом измерений +20 ÷ -20 кПа; • Вакуумметры остаточного давления – вакуумметры, предназначенные для глубокого вакуума или остаточного давления, т.е. абсолютных давлений менее 200Па; • Дифференциальные манометры – средства измерений разности давлений. По принципу действия средства измерения давлений подразделяют на : жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические. Такое подразделение не является исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанных на иных физических явлениях. В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий осуществить измерение давления в диапазоне10^-12 ÷ 10^11 Па. Рассмотрим чаще всего встречающиеся по принципу действия средства измерения: Деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе; Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обуславливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях. Эти приборы предназначены для измерения избыточного давления и разрежения неагрессивных жидких и газообразных сред. Приборы этого типа выпускаются только показывающие в обыкновенном, виброустойчивом, антикоррозионном, пыле-, брызго- и взрывозащищенном исполнении. Различают измерительные приборы с одновитковой трубчатой пружиной, многовитковой трубчатой пружиной, сильфоном, мембраной. Жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости ( Например, U-образная трубка) Используются для измерения малых избыточных давлений. Применяются при лабораторном анализе. Электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления. Измерительные преобразователи давления «Сапфир», «Метран». Являются первичными преобразователями, имеющими стандартный выходной электрический сигнал. Выпускаются концерном «Метран». Принцип действия основан на тензоэфекте, то есть при изменении давления изменяется сопротивление, связанное с выходным токовым сигналом. Рис. Принципиальная схема тензопреобразователя В измерительную камеру 3 на металлическую мембрану 4 подается измеряемое давление Р. Под действием давления мембрана прогибается, растягивая пленку тензопреобразователя 2,напыленную на мембрану 3. пропорционально измеряемому параметру на электронном блоке 5 формируется унифицированный сигнал, пропорциональный измеряемому значению. Обозначение прибора записывается следующим образом: «Сапфир»-22 ДИ 2110 Вн (Ex)- искробезопасное исполнение; Вн - взрывобезопасное исполнение. ДИ – тип измеряемого давления; 2110 - модель описывающая основные характеристики (рабочие температуру, давление, свойства среды и т. д.) Согласно условным обозначениям различают: ДИ – давление избыточное; ДА – давление абсолютное; ДГ – давление гидростатическое; ДВ – давление вакуумное; ДУ – давление уровня (сила выталкивания); ДИВ – давление избыточно- вакуумное. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ КОНЦЕРНА «МЕТРАН» Лекция№8 ИЗМЕРЕНИЯ КЛИЧЕСТВА И РАСХОДА ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПАРА Одним из важнейших параметров технологических процессов является расход протекающих по трубопроводам веществ. Необходимость повышения качества выпускаемой продукции и эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) придает вопросам точного измерения количества и расхода различных веществ исключительно важное значение. К средствам, измеряющим количество и расход вещества при товароучетных операциях, предъявляются высокие точностные требования. Многообразие измеряемых сред, характеризующихся различными физико-химическими свойствами, а также различные требования, предъявляемые промышленностью к метрологическим характеристикам и надежности измерителей расхода, привели к созданию средств измерения расхода, основанных на различных методах и средствах измерения. Количество вещества определяют его массой или объемом, и измеряют соответственно в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (м3, л). Средства измерений количества вещества за некоторый промежуток времени (сутки, месяц и т.д.) называют счетчиками. Количество вещества V в единицах объема, прошедшее через счетчик за выбранный промежуток времени Δτ = τ2 – τ1, определяется по разности показаний счетчика N2 и N1, взятых во времени τ2 и τ1,т.е. V = qv (N2 – N1), ( 1 ) Где qv – постоянная счетчика, определяющая количество вещества, приходящегося на единицу показания счетчика. Расходом вещества называют количество вещества, протекающее через данное сечение канала в единицу времени. Различают объемный расход, измеряемый в м3/с, м3/ ч, л/мин и т.д. необходимо различать понятия «средний расход» и «истинный (мгновенный) расход». например, средний объемный расход равен Qср = V/(τ2 - τ1). ( 2 ) Где V – объем вещества, измеренный счетчиком за время τ2 - τ1. Истинным, или мгновенным расходом называют производную от количества (объема V или массы m) по времени. Так, для объемного и массового расхода соответственно имеем Q = dV/d τ; ( 3) G = dm/d τ; ( 4 ) Средства измерений расхода называют расходомерами. Интегрируя сигнал расходомера по времени, можно определить количество вещества, прошедшее через расходомер за интервал времени τ2 - τ1, т.е. (5) или (6) Приборы, работающие в комплекте с расходомерами и реализующие операцию интегрирования его сигнала, называют интеграторами расходомеров. При измерении расходов газа с целью получения результата измерения, не зависящего от давлений и температуры потока, его выражают в объемных единицах, приведенных к нормальным условиям. В качестве нормальных условий в технике приняты: температура tН = 20 оС, давление РН = 101325 Па (760 мм рт.ст.) и относительная влажность φ = 0. Количество жидкости или газа можно измерить счетчиками.. По принципу действия счетчики подразделяются на массовые объемные и скоростные. Для измерения количества жидкости применяют преимущественно объемные и скоростные счетчики, для измерения объема газа – объемные счетчики. Для каждого счетчика существует определенный минимальный расход, ниже которого резко возрастает основная погрешность. Номинальным называется наибольший длительный расход, при котором погрешность измерения не выходит за пределы установленных норм, а потеря напора не создает в счетчике усилий, приводящих к быстрому износу его деталей. Характерным расходом называется количество вещества, которое проходит через счетчик за 1 час при установившемся потоке и потере напора 0.1 МПа. характерный расход является условной величиной и служит мерой оценки счетчиков различных конструкций. Потери напора представляют собой разность давлений на входе в счетчик и выходе из него. Калибром счетчика называют диаметр условного прохода входного патрубка, выраженный в мм. Объемные счетчики Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик. Объемные счетчики подразделяют на опорожняющиеся и вытесняющие. опорожняющиеся объемные счетчики имеют жесткие камеры, из которых измеряемая среда свободно вытекает. Счетчики этого типа непригодны для измерения количества газа. Простейшим объемным счетчиком с жесткой камерой является мерный бак или мерник. К этому типу объемных счетчиков относятся барабанные и опрокидывающиеся счетчики. Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с перемещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую фазу, освобождая камеру для следующей порции. К объемным счетчикам указанного типа относятся : однопоршневые, многопоршневые, кольцевые, с овальными шестерными, ротационные, сухие газовые, мокрые газовые и дисковые. Наиболее распространенным объемным счетчиком жидких веществ является счетчик с овальными шестернями (рис. ) внутри корпуса 3 размещены две находящиеся в зацеплении овальные шестерни 1 и 2. набегающий на шестерни измеряемый поток создает на них перепад давления Р1 и Р2. под действием этого перепада поток в положении, показанном на рис. создает на овальной шестерне 1 крутящий момент и заставляет вращаться эту шестерню, которая ведет шестерню 2. В положении, показанном на рисунке б, крутящий момент возникает на обеих шестернях, а в положении на рисунке в крутящий момент действует на шестерню 2, которая теперь ведет шестерню 1. Вращение шестерни происходит в направлении стрелок. В положении, представленном на левом рисунке, происходит заполнение объема между корпусом и левой частью шестерни 2, а объем правее этой шестерни вытесняется. В том же положении между шестерней 1 и корпусом отсекается измеряемый объем жидкости V1, которая будет затем вытесняться в положениях, представленных на рисунках б и в. За один оборот шестерен измерительные полости V1 и V2 дважды наполняются и дважды опорожняются. В итоге за один оборот через счетчик проходит объем жидкости, равны 4-м объемам V1 (или V2). Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположенный вне корпуса прибора. Благодаря высокой точности измерения (± [0.5 ÷ 1] %) счетчики с овальными шестернями используются для измерения различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов. Калибр выпускаемых счетчиков 12 ÷ 250 мм, а предел измерений от 0.01 до 250 м3/ч. Для измерения газовых потоков применяют ротационные газовые счетчики, принцип действия которых аналогичен. Они имеют калибр 50 ÷ 1200 мм и служат для измерения номинальных расходов от 40 до 40000 м3/ч и классы точности 2 и 3. Скоростные счетчики Эти счетчики служат для измерения количества жидкостей. Они основаны на принципе измерения средней скорости движущегося потока. Количество жидкости связано со средней скоростью движущегося потока соотношением Q = υсрS, ( 1 ) Где υср – средняя скорость движения вещества, м/с; S – поперечное сечение потока, м2. О количестве жидкости, прошедшей через прибор, судят по числу оборотов лопастной вертушки, расположенной на пути потока. Считается, что скорость вращения вертушки пропорциональна средней скорости потока n = cυср ( 2 ) c учетом уравнения (1) n = c(Q/S) ( 3 ) где n – число оборотов вертушки; c – коэффициент пропорциональности, характеризующий механические и гидравлические свойства прибора. По форме вертушки скоростные счетчики разделяются на две группы: с винтовой вертушкой и крыльчатые. Винтовые вертушки размещают параллельно основному потоку, крыльчатые – перпендикулярно. Технические характеристики: температура работы от 5 до 40(90) оС; погрешность от 2 до 5 %; пропускная способность от 2.5 до 175 м3/ч. Измерение расхода методом переменного перепада давления Из парка существующих расходомеров около 80-ти % составляют расходомеры переменного перепада давления. Такое широкое их применение объясняется невысокой стоимостью, простотой конструкции и эксплуатации, а также отсутствием необходимости в дорогостоящих образцовых установках для градуировки. Из более чем 200 типов используемых в мировой практике расходомеров эти расходомеры являются единственными нормализованными средствами измерения расхода. У нас в стране данные расходомеры нормализованы новым руководящим документом РД 50-213-80, который введен в действие в замен Правил 28-64. Известно, что объемный расход вещества, протекающего по трубопроводу, определяется как произведение скорости потока на площадь отверстия истечения F, т.е. Q = υF ( 1 ) Массовый расход G получают умножением объемного расхода Q на плотность ρ газа или пара: G = Qρ ( 2 ) При прохождении вещества через сужающее устройство, установленное в трубопроводе, скорость его увеличивается, это следует из условия неразрывности струи: Q = υ1F = υ2f ( 3 ) Где F и f соответственно площади сечения трубопровода и сужающего устройства; υ1 и υ2 – средние скорости движения вещества в трубопроводе и сужающем устройстве соответственно. Более высока скорость υ2 по сравнению со скоростью υ1 обусловлена переходом части потенциальной энергии потока в кинетическую. Из последнего уравнения следует, что υ2 = (F/f)υ1, ( 4 ) т.е. при постоянном отношении F/f скорость υ2 тем больше, чем выше скорость υ1 вещества в трубопроводе или чем больше расход. Отношение f/F называют модулем сужающего устройства и обозначают через m, т.е. m = f/F = d2/D2, ( 5 ) где d и D соответственно диаметры проходных сечений сужающего устройства и трубопровода. Из двух последних уравнений получим: υ2 = υ1/m ( 6 ) На рисунке показаны вид потока и изменение давления измеряемой среды при прохождении ее через сужающее устройство. Если до сужающего устройства статическое давление в трубопроводе равно Р'1 , то в сужающем устройстве оно резко падает, затем постепенно возрастает до нового установившегося значения. При этом давление в трубопроводе за сужающим устройством не достигает значения Р''1 , так как часть энергии расходуется на трение о стенки сужающего устройства и завихрения потока после сужающего устройства. Величина безвозвратных потерь равна Рп. Перед сужением давление несколько возрастает до Р1, что обусловлено сжатием потока перед сужающем устройством. Минимальное давление Р'2 наблюдается на некотором расстоянии от сужающего устройства. Давление в проходном сечении сужающего устройства равно Р2 . разность давлений Р1 – Р2 является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод. Найдем зависимость между перепадом давлений и расходом. В соответствии с уравнением Бернулли для сечения Ι – Ι и ΙΙ – ΙI для горизонтального участка трубопровода (см. рис. ): Р1 /ρ1 + υ12/2 = P2 /ρ2 + υ22/2, ( 7 ) или P1 /ρ1 – P2 /ρ2 = (υ22 – υ12)/2, ( 8 ) где ρ1 и ρ2 соответственно плотности измеряемой среды в сечениях I–I и II –I. Для несжимаемой жидкости ρ1 = ρ2 = ρ. Тогда Р1 – Р2 = ρ(υ22 – υ12 )/2. ( 9 ) Из уравнения следует, что υ1 = mυ2 . подставляя в вышестоящее уравнение υ1 из ( 6 ) получим: Р1 – Р2 = ρ(υ22 – m2υ22) /2 = ρ[(1 – m2)/2]υ22 . (10) Решая это уравнение относительно υ2, получим (11) Измерить давление в сечении II – II практически невозможно. Перепад давлений обычно измеряют на участках трубопровода перед сужающим устройством и за ним, где перепад Р'1 – P'2 отличается от рассматриваемого и несколько больше, чем Р1 – Р2. введя в уравнение (11) поправочный коэффициент μ получим: (12) Определение поправочного коэффициента μ в каждом конкретном случае практически не представляется возможным. Он зависит от характера движения жидкости или газа и является функцией критерия (числа) Рейнольдса Re. Для различных типоразмеров сужающих устройств на основе большого числа экспериментов найдены коэффициенты ά, равные первому члену правой части равенства (12), т.е. (13) Этот коэффициент, учитывающий расхождение между теоретической и действительной скоростями называется коэффициентом расхода. Подставляя значение ά из уравнения (13), получим (14) где Р1 и Р2 – давление в трубопроводах по обе стороны сужающего устройства. В соответствии с (1) уравнения расхода для несжимаемой жидкости в объемных (в м 3/с) и массовых (кг/с) единицах будут соответственно иметь вид (15) (16) где Р1 и Р2 – давления, Па; ρ – плотность, кг/м3, f – площадь, м2. Коэффициент расхода является функцией модуля и критерия Рейнольдса, т.е. ά = f(mRe) (17) При измерении расхода сжимаемых сред (газов и паров), особенно при больших перепадах давлений в сужающем устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности ρ, вызванное снижением давления при прохождении сужающего устройства, поэтому массовый расход (а так же объемный), отнесенный к начальному значению ρ, несколько уменьшится. Время прохождения газов и паров через сужающее устройство настолько незначительно, что их сжатие и последующее расширение происходят практически без обмена тепла с окружающей средой, т.е. адиабатически. Поэтому уравнения расхода для газов и паров соответственно в объемных и массовых долях имеют вид (18) (18а) где ε- поправочный множитель на расширение измеряемой среды, называемый коэффициентом расширения, ρ1- плотность потока перед входом потока в отверстие сужающего устройства. Уравнения (18) и (18а) действительны до тех пор, пока скорость потока в сужающем устройстве остается меньше критической, т.е. меньше скорости звука в данной среде. Уравнения расхода для газов и паров отличаются от уравнений расхода для несжимаемой жидкости только коэффициентом ε. Значения коэффициента расширения ε для различных сужающих устройств и различных случаев измерения даны в приложениях 9 и 10 Правил РД 50-213 – 80. Расходомер (рис.1) состоит из следующих составных частей: измерительных участков трубопровода 1 до и после сужающего устройства; сужающего устройства 2; расходомерного дифференциального манометра 4; интегрирующего устройства 5, определяющего расход за определенный промежуток времени (смену, сутки); импульсных линий 3, служащих для соединения с дифманометром измерительных участков трубопровода. Требования к исполнению и монтажу измерительных участков трубопровода изложены в разделе 10 Правил РД 50-213 – 80. эти правила устанавливают требования к выполнению расходомерных устройств при их разработке, проектировании, монтаже, эксплуатации и поверке. Лекция №8. Расходомеры постоянного перепада давления. Наиболее распространенными приборами этой группы являются расходомеры со свободно перемещающимися в корпусе поплавком - ротаметры. Принципиальная схема ротаметра приведена на рис. проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются, и он останавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода. При неизменном расходе поплавок неподвижен. В работающем ротаметре поплавок полностью погружен в измеряемую среду. Вес погруженного поплавка G1 определяется уравнением G1 = Vn g(ρп – ρс) (1) где Vn- объем поплавка; ρп и ρ с плотности поплавка и измеряемой среды соответственно; g- ускорение свободного падения. Сила G2, действующая на поток со стороны измеряемого потока, равна G2 = (P1 – P2)F0 (2) где Р1 и Р2 – давления среды перед поплавком и за ним, Fо – наибольшее сечение поплавка. В состоянии равновесия (поплавок неподвижен) G1 = G2, т.е. Vn g(ρп – ρс) = (Р1 – Р2)Fо (3) Или Р1 – Р2 = Vn g(ρп­ – ρс)/Fо (4) Из полученного уравнения видно, что независимо от положения поплавка перепад давлений на нем постоянен и не зависит от измеряемого расхода. Это объясняется постоянством скорости измеряемой среды при ее изменении ее расхода, что обусловлено изменением площади кольцевого зазора между поплавком и трубкой. Зависимость положения поплавка от измеряемого расхода линейна. Этим и определяется равномерность шкалы ротаметра. Ротаметры выпускаются трех видов: показывающие (местные), с дистанционной пневматической и электрической передачей. Технические характеристики: рабочее давление от 0.6 до 6.4 МПа; погрешность 1.5; 2.5; 4%; диаметр от 3 до 100 мм; расход от 0.0025 до 40 м3/ч. Электромагнитные расходомеры Эти расходомеры подразделяются на приборы с электромагнитным преобразователем расхода и приборы с электромагнитным преобразованием скорости потока. Приборы с электромагнитным преобразователем расхода основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону Фарадея, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Принципиальная схема электромагнитного расходомера показана на рис. 1. Трубопровод с перемещающейся в нем жидкостью помещен в магнитное поле. Трубопровод изготавливают из изоляционного материала, для этой цели используют фторопласт, эбонит, резину и другие материалы в зависимости от свойств измеряемой жидкости. Известно, что в движущемся проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле Е = Вlυ (1), где Е - индуктируемая в проводнике ЭДС, В- магнитное поле индукции, l- длина проводника, υ- скорость движения проводника. В случае измерения расхода жидкости можно записать Е = Вdυср, (2) где d- внутренний диаметр трубопровода, υср- средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубы в зоне индуктируемой ЭДС. Следовательно, электромагнитный расходомер является по существу генератором, в котором в котором проводником, перемещающемся в магнитном поле, служит электропроводная жидкость. Проводимость жидкости должна быть не ниже от 10-5 до 10-6 См, что соответствует проводимости водопроводной воды (1 См = = 1/Ом). В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном поперечном сечении введены электроды (заподлицо с внутренним диаметром трубы). К электродам подключают какой – либо высокочувствительный прибор, шкала которого градуирована в единицах скорости или единицах расхода. Измерительный прибор выбирают с большим входным сопротивлением в соответствии с неравенством Rвх » Rж, Где Rвх - входное сопротивление измерительного прибора; Rж - сопротивление жидкости между электродами. Практически независимость показаний расходомера от плотности, температуры и электропроводности жидкости определяется выбранной величиной отношения Rвх/Rж. Чем больше отношение, тем выше точность расходомера в большом интервале измерения температуры, плотности, вязкости и электропроводности жидкости. Расход Q определяется по формуле Q = Fυ, (3) где F- поперечное сечение трубы. Подставив в уравнение (3) значение υср из (2), получим E = BdQ/F, (4) или E = kQ (5) k = Bd/F . (6) В качестве измерительного прибора можно использовать потенциометры или милливольтметры. Электромагнитные расходомеры (Э.М.Р.) имеют ряд преимуществ. Прежде всего они практически безинерционны, что очень важно при измерении, что очень важно при измерении быстроменяющихся расходов; результат измерения не зависит от наличия взвешенных частиц в жидкости или пузырьков газа. Показания расходомера не зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от характера потока (ламинарный, турбулентный). Технические характеристики: диаметр от 400 до 1000мм; погрешность 2.5%; объемный расход от 400 до 12500 м3/ч; температура до 80оС; давление до 0.6 МПа. Ультразвуковые расходомеры Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой. Для измерения расхода в основном используют два метода. Один метод основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Приборы измерения этим методом называются фазовыми расходомерами. Другой метод основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него. Эти приборы называют частотными расходомерами. Примером фазовых расходомеров могут служить преобразователи расхода концерна «Метран»: Преобразователь расхода вихреакустический Метран300 ПР. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока. Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположено тело обтекания – призма трапецеидальной формы (1), пьезоизлучатели ПИ (2), пьезоприемники ПП (3) и термодатчик (7). Электронный блок включает в себя генератор (4), фазовый детектор (5), микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (6), собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки. На плате цифровой обработки расположены два светодиода – зеленый и красный, выполняющие функцию индикаторов состояния преобразователя. Зеленый светодиод сигнализирует о нормальной работе преобразователя, причем частота мигания соответствует частоте следования импульсов выходного сигнала преобразователя. Красный светодиод загорается при расходе 0.8 от Qmin , либо хаотичном характере процесса вихреобразования, в частности, при попадании посторонних предметов на тело обтекания и т.п. Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу. За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковые пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора – для однолучевого преобразователя. Или разность фаз между ПП первой и второй пары – для двухлучевого преобразователя. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которое в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода. Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достоверности показаний при обработке сигнала вычисляется дисперсия периода колебания вихрей. Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых значений. Таким образом, в результате преобразований и программной обработке модуль формирует импульсный выходной сигнал. Для увеличения срока службы преобразователя и сведения к минимуму образования отложений в проточной части, проточная часть изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности. Электронный блок размещен в отдельном корпусе, соединенном с проточной частью трубчатым кронштейном. Соединение плат электроники с пьезоэлементами осуществляется проводами, проходящими внутри трубчатого кронштейна. На индикаторе одновременно отображаются: время наработки прибора (час.), объемный расход (м3/ч), накопленный объем (м3), код самодиагностики. Опции аналогового выхода, RS485, ЖК-индикатор могут заказываться в любой комбинации. МАССОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ. Для примера рассмотрим Метран -360 – кориолесовый расходомер предназначенный для измерения массового и вычисления объемного расхода жидких и газообразных сред. Он используется в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами, а также в системах коммерческого учета. Расходомер имеет модульную конструкцию, состоящую из: - датчика расхода (сенсора); - измерительного микропроцессорного преобразователя моделей 1700 или 2700; - основного процессора; - фланцев для присоединения к магистрали. Основными элементами датчика расхода являются две расходомерные трубки, на которых монтируется: - соединительная трубка с силовой электромагнитной (задающей) катушкой возбуждения и магнитом; - два тензодатчика с магнитами и электромагнитными катушками; - терморезистор. Элементы датчика закрыты защитным кожухом, на котором нанесен указатель направления потока. Под воздействием задающей катушки расходомерная трубка колеблется с резонансной частотой. В результате эффекта Кориолиса, возникающем при движении среды в колеблющейся трубке, различные её части изгибаются относительно друг друга. Этот изгиб приводит к взаимному рассогласованию по фазе колебаний различных участков расходомерной трубки, которая преобразуется электромагнитными детекторами скорости в выходной сигнал датчика расхода. Массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов, которая пропорциональна массовому расходу. При отсутствии потока измеряемой среды изгиба трубки не происходит, и выходной сигнал отсутствует. Резонансная частота трубки зависит от ее геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самой трубки и массы измеряемой среды в трубке. Масса трубки (трубок) постоянна для данного датчика. Поскольку масса среды в трубке равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки, а объем трубки является константой для данного типоразмера датчика, то резонансная частота колебаний трубки может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний трубки и температуры (изменение модуля упругости материала трубки при изменении температуры учитывает температурный сенсор). Плотность среды вычисляется на основании линейной зависимости между частотой и периодом колебаний трубки с использованием калибровочных констант. По полученным значениям массового расхода и плотности вычисляется объемный расход. Выходные сигналы: Аналоговый сигнал – токовый сигнал 4 – 20 мА пропорционален текущему массовому или объемному расходу: нижние и верхние предельные значения соответствуют максимальному и минимальному значениям. Цифровой сигнал Bell202 – накладывается на аналоговый 4 – 20 мА (протокол HART). Цифровой сигнал RS485 (протоколы HART и Modbus). Лекция № 9. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления технологическим процессом. Путем измерения уровня можно получить информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют уровнемерами. Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений – сигнализаторы уровня По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазона. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0.5 ÷ 20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона (пределы измерений 0 ÷ ± 100 мм и 0 ÷ ± 450 мм) обычно используются в системах автоматического регулирования. В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и радиоизотопные. Применяются и визуальные средства измерений. Визуальные средства измерений уровня К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные линейки, рейки, рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла. В производственной практике широкое применение получили уровнемерные стекла. Измерение уровня с помощью уровнемерных стекол (рис. 1а.) основано на законе сообщающихся сосудов. Указательное стекло 1 с помощью арматуры соединяют с нижней и верхней частями емкости. Наблюдая за положением мениска жидкости в трубе 1 судят о положении уровня жидкости в емкости. Для исключения дополнительной погрешности, обусловленной различием температуры жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением осуществляют промывку уровнемерных стекол. Для этого предусмотрен вентиль 2. Арматура уровнемерных стекол оснащается предохранительными клапанами, обеспечивающими автоматическое перекрывание каналов, связывающих указательное стекло с технологическим аппаратом при случайной поломке стекла. Из – за низкой механической прочности уровнемерные стекла обычно выполняют длиной не более 0.5 м. поэтому, для измерения уровня в резервуарах (рис. 1.), устанавливается несколько уровнемерных стекол с таким расчетом, чтобы они перекрывали друг друга. Абсолютная погрешность измерения уровня уровнемерными стеклами ±(1 – 2) мм. При измерении возможны дополнительные погрешности, связанные с изменением температуры окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются до давлений 2.94 МПа и до температуры 300 0С. Поплавковые средства измерения уровня Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рис.2.) обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80 – 200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы. Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые *(рис. 2а.) и камерные (рис. 2б.), отличающиеся способом их установки на технологических аппаратах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров -10 ÷ 0 ÷ 10 мм, максимальный -200 ÷ 0 ÷ 200 мм. Класс точности 1.5. поплавковые уровнемеры широко диапазона (рис. 2в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким торосом 2. в нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок – противовес» только при определенной глубине погружения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние системы «поплавок – противовес» описывается уравнением Gr = Gп – Sh1ρжg, (1) где Gr, Gп - силы тяжести противовеса и поплавка; S- площадь поплавка, h1- глубина погружения поплавка, ρж- плотность жидкости. Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство (1) нарушается и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h1. для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуаре применяют сельсинные системы передачи минимальный диапазон измерений 0 -12 м, максимальный 0 – 20 м. абсолютная погрешность измерения ±4 и ±10 мм. Буйковые средства измерения уровня Средства измерений уровня этого вида входят в номенклатуру приборов ГСП. В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью большей плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила – давление» и «сила – ток». В соответствии с видом используемого преобразователя силы различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры. Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на (рис.3а). Уровнемер работает следующим образом. Кода уровень жидкости в аппарате равен начальному h0 (в частном случае он может быть равен 0), измерительный рычаг 2 находится в равновесии, т.к. момент М1, создаваемый весом буйка G, уравновешивается моментом М2, создаваемым противовесом N. Когда уровень жидкости становится выше h0, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается следовательно уменьшается и момент М1 , создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М2 становится больше М1, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8. поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот де сигнал одновременно посылается в сильфон отрицательной обратной связи 5. При действии давления Рвых возникает сила R, момент М3 которой совпадает по направлению с моментом М1­, т.е действие силы R направлено на восстановление равновесия рычага 2. движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2 не станет равной нулю, т.е. М1 + М3 – М2 = 0 (1) Подставляя моменты М1, М2 ,М3 в виде произведений соответствующих сил и плеч получим G l1 + R l3 = N l2, (2) где G - вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h; l1,l2,l3- плечи соответствующих сил относительно точки О; R- сила, развиваемая сильфоном 5; N- вес противовеса. Силы G и R определяем из следующих выражений: Гидростатические средства измерения уровня Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности ρ, согласно равенству: P = ρgH (1) Измерение гидростатического давления осуществляется: • Манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня; • Дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и газовому пространству над жидкостью; • Измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние. На рис 1а. приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (1). Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на рис. 1б. Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему. В нижней части манометрической системы расположен колокол 2, отверстие которого перекрыто тонкой эластичной мембраной 1, а в верхней - манометр 3. Применение эластичной мембраны исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение уровня из – за упругости мембраны. Преимуществом данной схемы измерения гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположения относительно уровня жидкости в резервуаре. При измерении уровня жидкости по рассматриваемым схемам имеют место погрешности, определяемые классом точности манометра и изменениями плотности жидкости. Рис.1. схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами. Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений. Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры. С помощью дифференциальных манометров возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей. Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением, осуществляется по схеме, представленной на рисунке 1в. Дифманометр 1 через импульсные трубки 2 соединен с резервуаром и уравнительным сосудом 3. Уравнительный сосуд применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде должен быть постоянным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде 3. при равенстве плотностей жидкостей, заполняющих импульсные трубки и резервуар, при условии h1 = h2 перепад давления, измеряемый дифманометром, ΔP = ρжgh. (2) При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рис 1г. уравнительный сосуд 3 в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня и соединяют с аппаратом. Статистическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде ΔР = ρжghmax – ρжgh. (3) При h = 0 ΔP = ΔPmax, а при h = hmax ΔP = 0. Как следует из уравнения (2),шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной. В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом. Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к резервуару осуществляется через разделительные сосуды. Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, подкачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рис. 1д. пьезометрическая трубка 1 располагается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ поступает в трубку через дроссель 2 , служащий для ограничения расхода. Для измерения расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу пузырьков, пробулькивающих через заполняющую его жидкость в единицах времени), а давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4 давление газа после дросселя измеряется дифманометром 5 и служит мерой уровня. При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно 1 пузырек в секунду). При очень большом расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько больше, чем гидростатическое, из-за дополнительного падения давления, возникающего за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа увеличивается инерционность измерения. Оба фактора могут увеличивать погрешность измерения уровня. Лекция№10. Электрические уровнемеры В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в электрический сигнал. Наиболее распространены емкостные и омические уровнемеры. Работа емкостных уровнемеров основана на том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров. Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис 1. в сосуд с жидкостью 1 , уровень которой необходимо измерить, опущен электрод 2, покрытый изоляционным материалом. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется при колебаниях уровня жидкости. Величина емкости изменяется при колебаниях уровня жидкости величина емкости измеряется электродным блоком 3, который дает сигнал в блок 4, представляющий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достижения определенного уровня) или указывающий прибор (в схемах измерения уровня). Принцип действия омических сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи, обладающей определенным омическим сопротивлением (растворы кислот и щелочей). Рис.1. Схемы включения уровнемеров: а, б, в- емкостного уровнемера; г- омического уровнемера Практически омические сигнализаторы уровня могут быть применены для сред с проводимостью от 2*10-3 См и выше. Прибор представляет собой электромагнитное реле, которое включается в цепь, образующуюся между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различными (рис 2) в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. Ультразвуковые уровнемеры и акустические. Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерить уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуковых волн от границы раздела жидкость – газ (воздух). На рис.1. показана блок – схема ультразвукового уровнемера, работающего на отражении звука от границы сред. Прибор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора (автоматического потенциометра). Электронный блок ЭБ состоит из генератора 1, генератора задающего частоту повторения импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4 и измерителя времени 5 генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Частота импульсов 300 Гц. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раздела жидкость – воздух, возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель и преобразуется в электрический. Оба импульса, посланный и отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель. Время τ между моментом посылки импульса и моментом поступления отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня, т.е. τ = 2Н/с (1) где Н – высота измеряемого уровня; с – скорость распространения ультразвука в измеряемой среде; при любой температуре воды скорость распространения ультразвука с = 1557 – 0.0245(74 – to)2. Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания отраженного сигнала (уровню), получаемое в измерителе времени, подается на вторичный прибор 6. Измерение уровня сыпучих тел Характерным отличием сыпучих тел от жидких, является непропорциональ-ность передачи давления на дно и стенки сосуда в зависимости от уровня. На рис.1. показан указатель уровня с металлической мембраной. Он состоит из металлической мембраны 1 с закрепленным по центру металлическим штоком 2 . При прогибе мембраны шток воздействует на контактное устройство 4. на кронштейне 4 закреплена возвратная пружина 5. Для регулирования натяжения возвратной пружины служит винт 6. Изолятор 7 крепится в корпусе сигнализатора 8. при понижении уровня возвратная пружина 5 возвращает мембрану и контактное устройство в исходное положение. Свойство сыпучих материалов образовывать при насыпании угол естественного откоса позволило создать серию маятниковых приборов, работающих на принципе отклонения материалом чувствительного элемента, выполняемого в виде маятника с жесткой или грубой подвеской. На рис.2. показан указатель предельного уровня сыпучего материала. При повышении уровня в бункере 1 уровня сыпучего материала 2 с углом естественного откоса чувствительный элемент 3 отклоняется от вертикального положения и замыкает контактную схему 4 включения световой сигнализации 5.общим недостатком всех указателей уровня маятникового типа является их зависимость от способа загрузки сосуда (бункера) материалом. Например, при беспорядочной загрузке, когда материал может обтекать маятник со всех сторон, может не произойти ожидаемого отклонения маятника. В качестве первичного преобразователя уровнемера, работающего на весовом принципе (рис. 3), можно использовать месдозу. Месдоза представляет собой металлический кожух с закрепленной в нем мембраной. Нижняя часть месдозы заполнена жидкостью, сообщающейся с манометром через импульсную трубку. При изменении веса материала в бункере изменяется давление в системе месдоза – манометр. Недостатком данного принципа измерения является необходимость в некотором перемещении опоры бункера (от 1 до 3 мм) погрешность измерения достигает 10%. Лекция № 12 Измерение плотности жидкостей Плотность является одним из параметров, характеризующих качество получаемой продукции. Плотностью называется отношение массы тела к его объему Ρ = m/V Единицей плотности в международной системе единиц (СИ) является кг/м3. плотность жидкостей зависит от температуры. Эта зависимость приближенно выражается формулой ρt =ρt’[1 – β(t – t’)] (1) где ρt – плотность жидкости при рабочей температуре; ρt’ – плотность жидкости при некоторой температуре, отличной от рабочей; β – средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости в интервале температур от t до t’. Принято указывать плотность жидкостей при нормальной температуре (20оС). Эту плотность подсчитывают по формуле ρ20 = ρt[1 – β(20 – t)]. (2) Наибольшее применение из плотномеров для измерения плотности жидкости получили поплавковые, массовые, гидростатические и буйковые радиоизотопные. Поплавковые плотномеры Работа поплавковых плотномеров основана на законе Архимеда. Поплавковые плотномеры изготовляют с плавающим и с плотностью погруженным поплавком. В приборах первого типа мерой плотности служит глубина погружения поплавка определенной формы и постоянной массы. В плотномерах второго типа глубина погружения поплавка практически постоянна, а измеряют действующую на поплавок выталкивающую силу, пропорциональную плотности жидкости. В плотномерах первого типа сила тяжести поплавка уравновешивается выталкивающей силой, действующей на поплавок как со стороны исследуемой среды плотностью ρ, так и со стороны среды, находящейся над зеркалом жидкости, плотностью ρо (см. рис. 2.). При равновесии поплавка выталкивающая сила равна силе тяжести поплавка. При этом каждому значению плотности исследуемой среды соответствует определенная глубина погружения поплавка. Выталкивающая сила, действующая на поплавок произвольной формы, определяется соотношением (из темы «поплавковые уровнемеры): Gr = Gп – Sh1ρжg (1) На рис.1 приведена принципиальная схема плотномера с плавающим поплавком. Плотномер состоит из измерительного сосуда 4, в котором плавает металлический поплавок 5. Жидкость в прибор поступает через патрубок 2 и выходит из прибора через патрубок 6. скорость потока устанавливается дросселем 1 постоянного сечения. Отражательные пластины 3 предохраняют поплавок от завихрений потока. Изменение плотности жидкости вызывает перемещение поплавка и связанного с ним сердечника 7, который перемещается в катушках дифференциально - трансформаторного датчика. Вторичный прибор (показывающий ли регистрирующий) градуируют в единицах измерения плотности. Для температурной компенсации в измерительную схему вторичного прибора можно включить термометр сопротивления. Плотномер может быть изготовлен из коррозионно-стойких материалов и применен для измерения агрессивных жидкостей. В плотномерах второго типа поплавок (буек) полностью погружен в измеряемую среду. Перемещение буйка при изменении выталкивающей силы вызывает усилие, которое компенсируется сжатием пружины или каким-либо другим способом. По величине компенсирующего усилия можно судить об изменении выталкивающей силы, а следовательно, и о плотности среды. Такие плотномеры можно использовать и для определения концентрации твердой фазы в жидкости На рис.2. приведена упрощенная схема плотномера с полностью погруженным поплавком (буйком). При отсутствии в жидкости частиц твердой фазы растяжение пружины максимально и равно l. При этом сила тяжести G буйка уравновешивается усилием Fп со стороны пружины и выталкивающей силой Fв, т.е. G = Fп + Fв, или ρδgVδ = Zl + ρжgVδ (2) где ρδ – плотность материала буйка; g – ускорение свободного падения; Vδ – объем буйка; Z – жесткость пружины; l – начальная деформация пружины; ρж - плотность жидкости. При появлении в жидкости частиц твердой фазы, равномерно распределенных по всему объему измерительного сосуда, плотность среды становится равной ρ, в результате чего равенство (2) принимает вид ρδgVδ = Z(l – Δl) + ρgVδ (3) где Δl – перемещение буйка. После вычитания (2) из (3) можно записать ρ – ρж = ZΔl(gVδ). Как видно, зависимость деформации Δl пружины от приращения (ρ – ρж) имеет линейный характер, что является весьма важным преимуществом буйковых плотномеров. К тому же в буйковых плотномерах за счет полного погружения поплавка исключается поверхностное натяжение жидкости. По принципу работы плотномер с полностью погруженным поплавком, в котором применен пневматический преобразователь, аналогичен пневматическому преобразователю силовой компенсации. Уровень жидкости в камере плотномера поддерживается постоянным. Существуют разнообразные конструкции плотномеров с погруженным поплавком, различающиеся конструкцией поплавка, уравновешивающего устройства, механизмом передачи показаний на расстояние, методом автоматической температурной компенсации и др. Выталкивающая сила, действующая на поплавок может уравновешиваться пружиной, дополнительным поплавком, помещенным в эталонную жидкость, пневматическим преобразователем и др. Весовые плотномеры Для весового метода характерны независимость показаний от свойств среды (поверхностное натяжение, вязкость, наличие твердых частиц и др.) и параметров контролируемого потока (скорость движения через чувствительный элемент, давление, пульсация расхода и давления и др.) на рис.1. дана принципиальная схема весового плотномера с электрическим силовым преобразователем. Плотномер состоит из чувствительного элемента 1 в виде горизонтальной петлеобразной трубы, закрепленной с одного конца в опоре 4, выполненной на двух подшипниках качения. Труба имеет два гибких сильфонных перехода для подвода и отвода жидкости. Перемещение центра тяжести трубы (точка х) в вертикальной плоскости индикатор рассогласования 5 преобразует в электрический сигнал, который в свою очередь, преобразуется в компенсационное усилие обратной связи Fo, приложенное к рычагу 8 (точка х2). В точке х действует сила P = GT + Gж + ΔG - Gr где GT – сила тяжести пустой трубы; Gж – сила тяжести жидкости в трубе при минимальной плотности; ΔG - изменение силы тяжести контролируемой жидкости в трубе; Gr - приведенная к точке х сила тяжести груза. Гидростатические плотномеры Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что давление р жидкости на расстоянии Н от ее поверхности определяется выражением Р = ρgH (1) где ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. Из формулы (1) следует, что двоение столба жидкости постоянной высоты Н является меры плотности жидкости. В плотномерах этого типа давление столба жидкости обычно измеряют косвенно непрерывным продуванием через жидкость инертного газа (воздуха), давление которого пропорционально давлению столба жидкости (пьезометрические плотномеры). Такой метод измерения давления столба жидкости позволяет легко передавать показания на расстояние. Инертный газ выбирают в зависимости от свойств жидкости, плотность которой измеряют. Расход продуваемого инертного газа должен быть небольшим и постоянным, так как колебания расхода могут вызвать дополнительную погрешность измерения. Обычно измеряют разность давлений двух столбов жидкости разной высоты (дифференциальный метод). Это позволяет исключать влияние на точность измерения колебаний уровня исследуемой жидкости. Из формулы (1) р1 – р2 = ρg(Н1 – Н2) (2) где р1 и р2 – давление столбов жидкости; Н1 и Н2 – высота соответствующих столбов жидкости. В пьезометрическом дифференциальном двухжидкостном плотномере с непрерывной продувкой инертного газа (рис.1.) исследуемая жидкость непрерывно протекает через сосуд 1, в котором поддерживается постоянный уровень. Сосуд 6 постоянного уровня заполнен эталонной (сравнительной) жидкостью с известной плотностью. Инертный газ по трубке 2 проходит через слой исследуемой жидкости постоянной высоты и выходит из прибора. Тот же инертный газ по трубке 5 проходит через слой постоянной высоты эталонной жидкости , затем по дополнительной трубке 3 через небольшой слой исследуемой жидкости и уходит изприбора. При известных глубинах погружения пьезометрических трубок и известной плотности эталонной жидкости показания дифференциального манометра 4 являются мерой плотности исследуемой жидкости. Согласно формуле (2) показания дифманометра Δp = h1ρ – (h2 ρ + h0 ρ0)g = (hρ – h0 ρ0)g (3) Эталонную жидкость подбирают с плотностью, равной плотности исследуемой жидкости. При этом условии и при условии, что h0 = h, разность давлений Δр = 0; тогда плотность исследуемой жидкости минимальна. Разность давлений достигнет максимального значения при максимально возможной плотности исследуемой жидкости. Вибрационные плотномеры Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т.д. Частота собственных колебаний резонатора, заполненного или находящегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением f = f0√1/(1+kρ) (1) где f0 – частота колебаний резонатора при начальном значении плотности анализируемого вещества; k – константа, зависящая от конструкции резонатора. Лекция № 13 Измерение влажности газов и твердых материалов Содержание влаги в любом теле характеризуется его абсолютной или относительной влажностью. Под абсолютной влажностью газа понимают массу водяного пара в 1.0 м3 газовой смеси при нормальных условиях. Абсолютная влажность измеряется в г/м3 (сух.) и г/м3 (вл.). Под относительной влажностью φ газа понимают отношение массы (объема) водяного пара, заключающегося в 1.0 м3 смеси к максимально возможной массе (объему) водяного пара в 1.0 м3 при той же температуре. Относительная влажность – величина безразмерная, иногда ее выражают в процентах. Под влажностью W твердых тел понимают отношение массы влаги, содержащейся в теле к массе влажного материала. Отношение же массы влаги в теле к массе абсолютно сухого материала называют влагосодержанием. К наиболее известным и применяемым методам измерения влажности относятся: Психрометрический метод, основанный на психрометрическом эффекте, т.е. на зависимости скорости испарения влаги в окружающую среду от влажности этой среды; Метод точки росы, заключающийся в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) насыщенный газ для того, чтобы довести его до состояния насыщения; Сорбционный метод, основанный на поглощении влаги из анализируемой среды каким – либо гигроскопичным веществом; Кондуктометрический метод основан на зависимости электрических свойств материалов от влагосодержания; Спектрометрический метод использует зависимость поглощения излучений от влажности исследуемого газа; Электрохимический метод (метод К. Фишера) основан на измерении электрического потенциала, возникающего в специальном растворе (растворе Фишера); Метод теплопроводности основан на различии теплопроводностей сухого и влажного газа. Наибольшее применение получили первые три метода. Психрометрический метод Основой метода является взаимосвязь между нормальным давлением (упругостью) водяного пара и разностью показаний сухого термометра tc и термометра, поверхность которого, смачивается водой tм (мокрый термометр). Разность между показаниями сухого и мокрого термометров называют психрометрической разностью. Относительная влажность в зависимости от психрометрической разности tс–tм выражается зависимостью φ = [Рв – А(tс – tм )]/Рс , (1) где РВ – упругость паров, насыщающих испытуемую среду при температуре tм влажного термометра; Рс – упругость паров, насыщающих испытуемую среду при температуре tс сухого термометра; А – психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции психрометра, скорости обдувания влажного термометра газом и давления газа, определяется по справочным психрометрическим таблицам, составленным для определенных конструкций психрометров. На рис. 1. показана принципиальная схема электрического психрометра с термометрами сопротивления. Измерительная часть прибора состоит из двух мостов I и II. Оба моста питаются переменным током от обмотки силового трансформатора электронного усилителя и имеют оба общих плеча R1 и R2. Сухой термометр сопротивления Rт.с. включен в плечо моста I, мокрый Rт.м. – в плечо моста II. Мост I образован постоянными резисторами R1, R2, R3 и Rт.м.. Напряжение между точками а и b моста I пропорционально температуре сухого термометра сопротивления, а напряжение между точками a и с – температуре мокрого термометра сопротивления. Величина напряжения между точками b и с пропорциональна разности температур сухого и мокрого термометров. Равновесие измерительной системы устанавливаетcя автоматически изменением положения движка Rр , приводимого в движение двигателем РД. Шкала прибора отградуирована в единицах измерения относительной влажности (%). Класс точности 3.0. Метод точки росы При автоматическом контроле влажности газа этим методом точка росы определяется по ослаблению светового потока, отраженного от зеркала и воспринимаемого фотоэлементом. Влагомер, работающие на основе метода точки росы, называют также гигрометрами. На рис.1. показана принципиальная схема конденсационного гигрометра точки росы. Охладителем является полупроводниковая термоэлектрическая батарея ПТ, работающая на принципе эффекта Пельтье: при прохождении тока в термоэлектрической цепи температура одного спая повышается, другого понижается. К холодному спаю полупроводникового термоэлемента припаяно металлическое зеркало 3. сила тока, проходящего через термоэлемент, регулируется переменным сопротивлением 4. Для измерения температуры металлического зеркала к его поверхности припаян полупроводниковый термоэлектропреобразователь Т, подключенный к милливольтметру со шкалой, градуированной в единицах абсолютной влажности. Работает гигрометр следующим образом. В отсутствие на поверхности зеркала конденсата падающий на него от осветителя 1 световой поток отражается и попадает на фотоэлемент 5. в цепи фотоэлемента течет фототок, поэтому к сетке одной электронной лампы подается отрицательное, а к другой – положительное напряжение. Уменьшение силы анодного тока в цепи одной из ламп и увеличение его в цепи другой приводит к тому, что якорь поляризованного реле занимает положение I. При этом через термоэлемент ПТ проходит ток, и зеркало охлаждается. Появление конденсата на поверхности зеркала проводит к рассеянию светового потока, а следовательно, и к уменьшению освещенности фотоэлемента. Это вызывает переключение контактов поляризованного реле в положение II, при котором питание термоэлемента отключается. Так как окружающая температура выше температуры зеркала, конденсат с поверхности зеркала быстро испаряется; реле вновь включает в работу термоэлемент. Для подогрева зеркала предусмотрено питание термоэлемента током обратного направления от батареи Б при помощи ручного переключателя П. поверхность зеркала обдувается вентилятором 2. Сорбционно-кулонометрический метод Данный метод является абсолютным и не требует градуировки прибора по эталонным газовым смесям. Сорбционно-кулонометрические влагомеры применяют для измерения микроконцентрации влаги в газах. Принципиальная схема кулонометрического влагомере показана на рис.1. Во внутреннем канале цилиндрического пластмассового корпуса 1 размещены два электрода 2, выполненных в виде спиралей. Между электродами нанесена пленка 3 частично гидратированного пятиоксида фосфора, обладающего очень высокой способностью сорбировать влагу. Через чувствительный элемент в направлении, указанном стрелками проходит контролируемый газовый поток со строго постоянным расходом. Геометрические размеры чувствительного элемента и расход контролируемого газа подбирают таким образом, чтобы влага практически полностью извлекалась из газа. Обычно длина канала чувствительного элемента несколько десятков сантиметров, диаметр 0.5 – 2 мм; диаметр электродов не более 0.2 мм. Поглощенная влага, соединяясь с веществом пленки, образует раствор фосфорной кислоты с высокой удельной электрической проводимостью. К электродам подключен источник постоянного напряжения, которое должно превышать потенциал разложения воды; поэтому одновременно с разложением влаги происходит ее электролиз. Получающиеся в процессе электролиза кислород и водород уносятся потоком контролируемого газа. В установившемся режиме количество поглощенной и разложенной в единицу времени воды одинаково, и следовательно, в соответствии с законом Фарадея сила тока, измеряемая микроамперметром, включенным последовательно с источником питания, является мерой концентрации влаги в анализируемом газе. Для удобства использования, анализа и нормирования характеристик средств измерений их удобно классифицировать на группы, приведенные ниже: Группа метрологических характеристик Метрологические характеристики Характеристики, предназначенные для определения результата измерений Функция преобразования, коэффициент преобразования, цена деления, чувствительность, диапазон измерений, верхний и нижний пределы измерений, диапазон показаний, конечное и начальное значение шкалы Характеристики погрешностей Систематическая погрешность, случайная п-ть, основная п-ть, динамическая п-ть, порог чувствительности, мультипликативная и аддитивная п-ти, погрешность линейности, вариация, абсолютная, относительная и приведенная погрешности. Характеристики чувствительности к влияющим величинам Функция влияния, дополнительная погрешность, изменение показаний, изменение коэффициента преобразований, значения неинформативного параметра выходного сигнала Динамические характеристики Дифференциальное уравнение, передаточная функция, комплексная частотная функция, переходная характеристика, импульсная переходная характеристика, амплитудно – фазовая характеристика, постоянная времени, время реакции, амплитудно – частотная характеристика, фазочастотная характеристика, полоса пропускания и др. Характеристики взаимодействия с подключаемыми средствами измерения Входной импеданс, выходной импеданс ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. По способу нахождения числового значения измеряемой величины выделяют 4 типа измерений : а) прямые измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно по показаниям средств измерений (измерение длины линейкой). Прямые измерения производят следующими основными методами: непосредственной оценки, дифференциальным, противопоставления, нулевым. Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах. При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывают по шкале прибора (примером являются рыночные весы, когда одновременно используются гири и отсчетное устройство-шкала). Метод противопоставления - это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами. Значение измеряемой величины находят после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной) величины. Например, на рычажных весах массу взвешиваемого груза находят по массе установленных гирь. Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю (измерение массы на равноплечих весах). б) косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят расчетами на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, функционально связанными с искомой и определяемыми посредством измерений (закон Ома). в) совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними (ряд одновременных, прямых измерений электрического сопротивления проводника и его температуры для установления зависимости между ними) г) совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, нахождение значений масс отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь: сравнивая массы различных сочетаний гирь, получают систему уравнений, из решения которой находят массу каждой из гирь, входящих в набор. МЕТОДЫ ИЗМЕРНИЙ Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входят как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения. Как известно, искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения. При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах. Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства. Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод, дифференциальный метод, метод замещений и метод совпадений. Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю (измерение массы на равноплечих весах). При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывают по шкале прибора ( примером являются рыночные весы, когда одновременно используются гири и отсчетное устройство-шкала). Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя отметок шкал или периодических сигналов. (Например, измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа - вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной; также метод совпадений используется в штангенприборах, логарифмических линейках.). Лекция № 3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (ИИС) Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ средств измерения, как измерительные системы. Рост мощностей технологических установок, значительное увеличение в связи с этим числа измеряемых параметров, развитие цифровой техники обработки информации и переход к оптимизации процессов путем применения АСУТП определили новые пути развития ИС, применение на технологических процессах наряду с ИС и системами автоматического контроля (САК) систем распознавания образов, объединенных понятием «информационно – измерительные системы» (ИИС). В области измерительной техники, связанной с ИИС, так же используется понятие Измерительно-вычислительная система (ИВС) – это ИИС, в состав которой входит программно - управляемое цифровое вычислительное устройство (микропроцессор, макро - и мини – ЭВМ и т.п.). Основная концепция ИИС, состоящая в системной организации местной автоматической работы средств получения, обработки и передачи измерительной информации. Была сформулирована в начале 60-х годов в большой степени под влиянием развивающейся цифровой вычислительной техники. Тогда же были созданы ИИС первого поколения, характеризующиеся централизованным циклическим получением информации с обработкой ее с помощью входящих в ИС специализированных вычислительных устройств. Элементной базой этих ИИС служила дискретно – полупроводниковая техника. В технологических процессах ИИС первого поколения использовались в виде так называемых систем централизованного контроля. Эти ИИС не получили широкого применения на химико-технологических процессах из-за табличной формы представления измерительной информации, затрудняющей определение предыстории и тенденции хода процесса, а так же из-за дублирования функций цифровой системы измерений и управления, используемой на процессе. Второе поколение ИИС (70-е годы) характеризуется адресным сбором информации, обработкой ее с помощью ЭВМ, входящей в состав ИИС, и использованием в качестве элементной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции. Третье поколение ИИС, развивающееся в настоящее время, характеризуется использованием в их составе больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных комплектов и микроЭВМ, что позволяет значительно улучшить многие характеристики ИИС, и определенной децентрализацией процесса сбора, обработки и хранения информации. В этих ИИС за счет микропроцессорных средств выполняется обработка и промежуточное хранение информации в местах, максимально приближенных к месту ее получения, например в рассмотренных измерительных устройствах со встроенными МПС. Центральная ЭВМ выполняет при этом более срочные и сложные задачи. ИИС второго и третьего поколений в соответствии с приведенным выше определением представляет собой ИВС. В настоящее время промышленностью выпускается несколько разновидностей ИВК, к которым для создания ИВС достаточно подключить соответствующие измерительные устройства. При автоматизации технологических процессов, когда задачи измерения технологических параметров решаются в неразрывной связи с задачами регулирования и управления, ИВС создаются в рамках АСУТП на базе управляющих вычислительных машин (УВМ) или управляющих вычислительных комплексов (УВК), входящих в состав АСУТП. Организация последней по своей идеологии аналогична организации ИВК для ИИС третьего поколения. Широкое применение в современных ИВС и ИВК микропроцессоров, мини - и микро-ЭВМ, построенных по магистрально-модульной структуре, обеспечивает простоту наращивания аппаратных средств и возможность изменения решаемых задач ИВС или УВК путем программирования. Это определяет тот факт, что все разновидности ИИС, а именно измерительных систем сбора и обработки информации, систем автоматического контроля, технической диагностики и распознавания технических образов, имеют по существу одинаковую структуру, которая в обобщенном виде показана на рис. … Первичная измерительная информация, например о параметрах химико- технологического процесса (объекта измерений ОИ), вырабатывается первичными измерительными преобразователями (ПИП). Сигналы ПИП унифицируются и преобразуются по форме и виду энергии (например, пневматические преобразуются в электрические) в блоке аналоговых промежуточных преобразователей (БАПП). Унифицированные аналоговые электрические сигналы в блоке аналого-цифровых преобразователей БАЦП преобразуются в код и поступают в цифровое устройство ЦУ, которым в современных ИВС служат мини - или микроЭВМ. В частных случаях в качестве цифровых устройств используются микропроцессоры, специализированные вычислительные устройства. В качестве устройств вывода с ИВС используются дисплеи, цифровые индикаторы, сигнализаторы, накопители на магнитных лентах и т.п. Блок цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) служит для формирования компенсирующих воздействий в процессе преобразования измеряемых величин. Все функциональные блоки ИВС могут соединяться между собой через стандартные интерфейсные устройства ИФУ, а управление ИВС осуществляется устройством управления УУ. В частных случаях реализации некоторые из названных блоков ИВС могут отсутствовать. Например, если в ИВС используются рассмотренные выше измерительные устройства, имеющие выходной сигнал в виде кода, отпадает необходимость включения в ИВС блоков БАПП и БАЦП. Т.е. Измерительные системы – это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого – либо изделия, например производства стали, электроэнергии, химического производства и т.п. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие. По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно - двух - трех – и многоканальные. Важной их разновидностью являются информационно – измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления им измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы: • С заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме; • Программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования; • Адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта. Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При построении агрегатированных систем должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существуют 5 методов совместимости : • Информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням; • Конструктивная, обеспечиваемая согласованностью эстетических требований, конструктивных параметров, механических сопряжений блоков при их совместном использовании; • Энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки; • Метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков, а так же согласование параметров входных и выходных цепей; • Эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности, а так же характеристик, определяющих влияние внешних факторов. Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять блоки в единую систему. Структура ИИС довольно разнообразна и существенно зависит от решаемых задач. Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерения к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно – модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем. В настоящее время АСУТП заменяются системами автоматического контроля, создаваемыми производителями “под ключ”. Т.е. предприятие приглашает представителей фирм-изготовителей и создает список требований к производственному процессу. В случае заключения контракта, через определенный им интервал времени, поставщик устанавливает оборудование, готовое к эксплуатации.