Реферат: Управление техническими системами (лекции)

          Схема автоматического потенциометра показана на рис. 2.5, где обозначено:

Rp - сопротивление реохорда,

Rш - шунта,

Rп - для задания пределов измерения,

Rн и Rк - для задания начала и конца шкалы,

Rб - балластное,

Rс - для поверки рабочего тока,

Rм - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев.

ИПС - источник питания стабилизированный.

          Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.

          Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.

          Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:

ΔU = UAD – Е = 0.

В данном состоянии ЭД не работает.

Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.

          В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары.

          1.7. Методы измерения сопротивления.

          Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.

          Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены:

R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста;

Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;

Rт - сопротивление ТС;

Rл - сопротивление линии (соединительных проводов).

          Условием равновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае:

R1.R3 » R2.(R4 + Rт + 2.Rл).

          Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта изменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.

        Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с Rт, следовательно, изменение Rл может вызывать изменение показаний моста. Для компенсации Rл применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы.

        Трехпроводная схема подключения моста (см. рис. 2.7).

В этом случае уравнение равновесия имеет вид:

(R1 + Rл).R3 » R2.(R4 + Rт + Rл).

То есть сопротивление линии Rл входит в обе части уравнения и частично компенсируется.

          1.8. Методы и приборы для измерения давления и разряжения.

          1.8.1 Классификация приборов для измерения давления.

          Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.

          В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно.

          Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

          Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Ри = Ра - Рбар

Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.

          Классификация приборов для измерения давления:

I. По принципу действия:

1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости);

2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень);

3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента);

4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину).

II. По роду измеряемой величины:

1) манометры (измерение избыточного давления);

2) вакуумметры (измерение давления разряжения);

3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения);

4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений);

5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения);

6) тягонапорометры;

7) дифманометры (для измерения разности давлений);

8) барометры (для измерения барометрического давления).

          1.8.2 Жидкостные манометры.

              Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.

              Двухтрубный манометр представляет из себя U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью.

          1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры.

Н

          Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой.

       Уравнение равновесия:                   Р = r g (h + H).

Рис. 2.10

       Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов.

          1.8.4 Микроманометры.

Рис. 2.11

       Применяются для измерения давлений, меньших 100 - 200 мм водяного столба. Представляют из себя жидкостной манометр с наклоненной по углом 20…50° трубкой.

h = L.sin(a) - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке,

P = r.g.h - измеренное давление.

       Погрешность: ± 1,5 %.

   1.8.5 Пружинные манометры.

   Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.

   При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в результате чего она через поводок начинает взаимодействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку.

          1.8.6 Электрические манометры.

                   Преобразователи давления типа "Сапфир".

          Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).

          Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рис. 2.13). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремни­йорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металли­ческой гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному кон­туру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мемб­рану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразо­вателя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезис­торов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2.

Преобразователи Сапфир-22ДА моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизи­рована.

Преобразователи Сапфир-22ДД моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444 (см. рис. 2.14), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.          Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).

	Рис. 2.14

          Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

          1.9. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости.

          1.9.1 Классификация.

          Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

          Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м3/с.

          Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

          Классификация:

Механические

          объемные

                   ковшовые

                   барабанного типа

                   мерники

          скоростные

                   по методу переменного перепада давления

                   по методу постоянного перепада давления

                   напорные трубки

                   ротационные

Электрические

          электромагнитные

          ультразвуковые

          радиоактивные

          1.9.2 Метод переменного перепада давления.

          Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.

          В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

          Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением.

I - I - сечение потока до искажения формы.

II - II - сечение в месте максимального сужения.

Рп - потери давления на трение и завихрения.

Разность давлений Р1 - Р2 зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод.

          В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше.

     Еще меньше потери Рп в сопле Вентури.

     Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов:

1) сужающее устройство (Д);

2) импульсные трубки (Т);

3) дифманометр (ДМ).

     В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа "Сапфир".

          1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления.

          К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры.

          Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ перед расходометрами переменного перепада давления:

а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода;

б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.

            Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.

Q - расход проходящего через трубку газа или жидкости,

a - угол наклона стенок трубки.

            Зависимость Н от Q нелинейна, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени.

            Отсутствие прямой зависимости между Q и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора.

   Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.

   1.9.4 Расходомеры переменного уровня.

   Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред.

          Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рис. 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для успокоения потока.

          1.9.5 Расходомеры скоростного напора.

         Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды.

         Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по котором судят о скорости потока и, следовательно, о расходе.

          1.10. Методы и приборы для измерения уровня.

          1.10.1 Методы измерения уровня.

          В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %.

          Поl измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.

          Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический, электрические и др.

          1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня.

          Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка.

          1.10.3 Буйковые уровнемеры.

        Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элемент буйкового уровнемера - буй - массивное тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором контролируется. По мере изменения уровня жидкости изменяется погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске.

          Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения буя.

          1.10.4 Гидростатические уровнемеры.

         В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, созданного столбом жидкости Р = rж g h.

         Различают пьезометрические уровнемеры и уровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости.

          Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе вязких и агрессивных жидкостей.

          Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности давления в дифманометре 2.

          1.10.5 Электрические методы измерения уровня.

          Для измерения уровня жидкости может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ.

          Кондуктометрический метод измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения уровня.

          Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных в измеряемую жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство между обкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость между уровнем жидкости и емкостью пропорциональная.

          2. Исполнительные устройства.

          2.1. Классификация исполнительных устройств.

          Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО) объекта.

          Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.).

          Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F(ΔP, ν, ρ, C1, C2, …),

где ΔP – перепад давления на РО, ν - вязкость, ρ – плотность, Сi – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем:

          - изменения ΔP (насосные ИУ),

- ν или ρ (реологические ИУ),

- коэффициентами Ci (дроссельные ИУ).

2.2. Исполнительные устройства насосного типа.

          Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке, где обозначено: u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр – параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т.д.).

Для данных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давление на входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ΔР = Рвых – Рвх.

       Насосные ИУ делятся на три класса:

1)   С вращательным движением РО:

а) шестеренчатые – зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную; обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики.

б) шиберные – при вращении шиберы центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы: на всасывающейся линии увеличивающиеся, на нагнетательной – уменьшающиеся.

в) винтовые – перекачка производится винтовым шнеком.

г) центробежные – изменение расхода происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора насоса.

2) С поступательным движением РО:

а) поршневые,

б) мембранные,

в) сильфонные.

          2.3. Исполнительные устройства реологического типа.

       Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(ν).

       Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на ν. При этом расход F на РО изменяется пропорционально.

          2.4. Исполнительные устройства дроссельного типа.

       Эти ИУ нашли преимущественное распространение в силу универсальности и простоты. В зависимости от u ИМ изменяет какой-либо параметр дросселя РО, что приводит к изменению расхода F.

       Пропускной характеристикой дросселя называется зависимость расхода F от перепада давления ΔР = Рвх – Рвых, положения РО и т.д.

       Зависимость F(ΔР) для турбулентного потока:

F = γ ,

где , S – площадь сечения потока, ξ – коэффициент местного сопротивления, ρ – плотность.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7