Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

Недостаток манганина заключается в малом изменении сопротивления от действия давления (малый пьезокоэффициент).

Если обозначить сопротивление проводника, подвергаемого давлению, через R, изменение сопротивления - через , а давление - через р, то изменение сопротивления будет следовать линейному закону

,

где k - пьезокоэффициент, величина которого зависит от материала проводника. Из этого соотношения следует, что

.

Значения пьезокоэффициента не только различны для разных материалов, но непостоянны даже для одного и того же материала. Для манганина .

Малая величина пьезокоэффициента обусловливает целесообразность применения манганиновых манометров только для измерения высоких и сверхвысоких давлений. Одна из конструкций манганинового манометра показана на рисунке 25. Воспринимающей частью манометра является однослойная катушка 1 диаметром 8 мм из манганиновой проволоки диаметром 0,05 мм, намотанной бифилярно. Сопротивление катушки 180-200 ом. Один конец обмотки катушки припаян к гайке 2, а другой - к медному стержню 3. Стержень проходит через канал в гайке. Центральное положение стержня в канале обеспечивается эбонитовыми втулками 4 и 5. Уплотнение стержня достигается набивкой из фибровых и резиновых колец 6, сжатых гайкой 7. Гайка 2 ввертывается в корпус 8, снабженный ниппелем 9 для присоединения к аппарату или трубопроводу, в котором измеряется давление.

Для измерения сопротивления может быть использован любой измеритель электрических сопротивлений, например электронный уравновешенный мост. Пьезокоэффициент для разных образцов манганина непостоянен, поэтому манганиновые манометры сопротивления необходимо калибровать после изготовления.

Рисунок 25 - манганиновый манометр сопротивления: 1 - катушка; 2 и 7 - гайки; 3 - стержень; 4 и 5 - втулки; 6 - кольца; S - корпус; 9-ниппель

При линейной зависимости можно калибровать путем измерения сопротивления манганиновой катушки при двух различных давлениях, одним из которых может быть атмосферное давление. По литературным данным, линейная зависимость сопротивления манганина от давления проверена до 3000 МПа (30 000 кг/см2), Точность измерения давления манганиновым манометром зависит главным образом от точности измерения сопротивления катушки, качества калибровки и от точности определения калибровочных давлений. Погрешность измерения обычно не превышает ± 1% предела шкалы. Кроме металлических датчиков, в манометрах сопротивления применяются полупроводниковые датчики.

Известны конструкции манометров с угольными столбиками, составленными из тонких дисков диаметром 5-10 мм и толщиной 1,0 мм, изготовленных из электродного угля. У такого столбика при сжатии уменьшается сопротивление, что объясняется улучшением контактов между отдельными дисками. Пьезокоэффициент угольного столбика в тысячи раз больше, чем манганина; однако нелинейная зависимость сопротивления от давления, большой гистерезис, непостоянство градуировки и значительное влияние температуры ограничивают применение угольных манометров.

Использование других полупроводников пока не вышло из пределов лабораторных исследований. Все полупроводниковые датчики пригодны для измерения давлений не выше 5,88-7,84 МПа.

3.1.6 Емкостные манометры

Действие приборов основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух обкладок, выражается зависимостью

,

где - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; s - площадь одной из обкладок; - расстояние между обкладками.

С уменьшением емкость возрастает по гиперболическому закону. Поэтому выгодно работать при малом начальном значении , что создает большую чувствительность и возможность работы на линейном участке характеристики.

Устройство одного из емкостных манометров показано на рисунке 26. Корпус датчика снабжен ниппелем для присоединения к объекту измерения. В дно ниппеля впаяна мембрана, воспринимающая давление. В верхнюю часть корпуса ввернута втулка 3, положение которой относительно корпуса может фиксироваться контргайкой. Внутрь втулки 3 вставлен керамический цилиндр - изолятор с электродом. Электрод оканчивается диском, являющимся второй обкладкой конденсатора.

Под действием давления мембрана прогибается, изменяется расстояние между ней и диском, увеличивается емкость конденсатора. Выбирая размеры мембраны, можно создавать приборы для измерения давлений в широком диапазоне.

Рисунок 26 - Емкостной манометр: 1 - корпус датчика; 2 - мембрана; 3 - втулка; 4 - контргайка; 5 - изолятор; 6 - электрод; 7 - диск

На показание емкостных манометров влияет температура окружающей среды. При изменении температуры изменяются размеры датчика, особенно расстояние между обкладками.

Недостатком емкостных манометров является также большое влияние паразитных емкостей, главным образом соединительных проводов и металлических частей установки, которое проявляется неодинаково и зависит от взаимного расположения деталей.

Погрешность измерений не превышает ±1,5-2% предела шкалы прибора. Измерителями емкости обычно служат высокочувствительные резонансные приборы.

3.1.7 Пьезоэлектрические манометры

Действие пьезоэлектрических манометров основано на свойствах некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление называется пьезоэффектом.

Пьезоэффект наблюдается у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяется кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры. Кварц SiО2 кристаллизуется в гексагональной системе, причем элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма (рисунок 27). В кристаллах кварца различают продольную ось zz, которая носит название оптической оси, ось хх, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и оси уу, проходящие через середины противолежащих граней (механические или нейтральные). Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям уу и хх, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к нему по направлению оси zz, не вызовут электризации, а растягивающая или сжимающая сила Fх, приложенная по направлению электрической оси, вызовет появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект).

Рисунок 27 - схема кристалла кварца

Величина заряда, возникающего на гранях, равна

, или

,

где рх и Fх - давление и сила, действующие на площадь грани; sх - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый пьезоэлектрический модуль.

При приложении силы Fy, действующей по направлению нейтральной оси, на гранях bс возникнут заряды противоположного знака по сравнению с силой, действующей по оси х.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры в пределах до 500° С. При температурах выше 500° С она быстро уменьшается и при температуре 570° С становится равной нулю, т.е. кварц теряет пьезоэлектрические свойства.

Рисунок 28 - пьезокварцевый манометр: 1 - корпус, 2 и 9 - гайки; 3 - мембрана; 4 и 7 - шайбы; 5 - кварцевая пластина; 6 - плитка; 8 - шарик; 10 - втулка

Из других пьезоэлектриков наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако высокая гигроскопичность, малая механическая прочность и низкое сопротивление сильно ограничивают ее применение. Применение в измерительной технике находит титанат бария, у которого пьезоэлектрический эффект в 50-60 раз выше, чем у кварца.

Устройство пьезокварцевого манометра показано на рисунке 28. Корпус 1 датчика манометра ввернут в гайку 2, снабженную ниппелем для присоединения к объекту измерения. В нижней части корпус герметически закрыт мембраной 3, образующей дно корпуса. На мембрану положена металлическая шайба 4 с цилиндрической выточкой для помещения кварцевой пластины 5. На кварцевую пластину кладется плитка 6. На нее укладывается вторая кварцевая пластина, покрываемая металлической шайбой 7. В центре верхней плоскости шайбы 7 помещается стальной шарик 8. Пакет из кварцевых пластин и стальных шайб поджимается гайкой 9, образующей крышку датчика.

Кварцевые пластины располагаются так, чтобы грани с отрицательным зарядом были обращены к средней плитке, а стороны с положительным зарядом - к шайбам 4 и 7. К средней плитке 6 припаян проводник, выходящий из корпуса через отверстие в стенке, втулку 10 и через янтарный изолятор.

Возникающие на гранях кристалла электростатические заряды сохраняются (при отсутствии утечки) во время действия силы и исчезают в момент прекращения ее действия.

Так как возникающие заряды очень малы, то прямое измерение их невозможно. Для этого необходимо использовать такие приборы, которые не расходовали бы возникающих зарядов. Поэтому применяют ламповые вольтметры постоянного тока на электрометрических лампах в сочетании со шлейфовым или катодным осциллографом, а также электростатические вольтметры. Точность измерения пьезоэлектрическим манометром составляет ±1,5-2%.

3.1.8 Теплопроводные манометры

При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эта зависимость используется в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Па (0,0001 - 10 мм рт. ст.) Датчик прибора состоит из нагревателя и измерителя температуры, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. В качестве измерителей температуры применяются термосопротивления и термопары (термопарный манометр). На рисунке 29 показана схема теплопроводного манометра низкого давления с термосопротивлением, включенным в мостовую схему. В два плеча моста включены нагреваемые током металлические или полупроводниковые термосопротивления Rt и RK. Постоянные сопротивления плеч моста R1 и R2.

Сопротивление R, расположено в измеряемой среде; сопротивление RK, выполняющее роль температурного компенсатора, запаяно в баллоне.

Рисунок 29 - схема теплопроводного манометра

Рисунок 30 - принципиальная схема термопарного манометра с термосопротивлением

1 - нагревательный элемент;

2 - термопара; 3 - источник тока; 4 - измерительный прибор

С изменением давления газа меняется его теплопроводность, что приводит к изменению величины электрического сопротивления Rt, следовательно, к разбалансу моста.

В термопарных манометрах измеряется не сопротивление, а температура проводника. Температура измеряется термопарой, термо ЭДС. которой является функцией измеряемого давления. Принципиальная схема термопарного манометра показана на рисунке 30. Манометр состоит из нагревательного элемента и термопары, замеряющей его температуру.

Элемент нагревается от источника тока; термо - ЭДС. термопары замеряется милливольтметром или потенциометром. Элемент нагревается до температуры порядка 200° С. В некоторых термопарных манометрах нагревательный элемент и термопара конструктивно объединены в одном элементе.

Теплопроводные манометры градуируются по определенному газу, для которого они предназначены.

3.2 Выбор рационального метода измерения давления природного газа

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной, такие приборы имеют большой диапазон измерения, сравнительно небольшие габариты, простоту конструкции, надежность. Исходя из этого, для измерения давления в АСК давления природного газа мы будем использовать бесшкальный прибор с дифференциально-трансформаторным датчиком, принципиальная схема которого изображена на рисунке 21. Такой прибор предназначен (в комплекте со вторичным прибором типа КСД) для дистанционного измерения.

4. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

В системах автоматического контроля и регулирования различных параметров технологических процессов находят широкое применение в качестве вторичных приборов автоматические потенциометры и мосты. Мы рассматриваем схему автоматического потенциометра (рисунок 31), данные для расчета занесены таблицу 3. В этой схеме в качестве первичного измерительного преобразователя используется термопара, так как диапазон изменения температуры составляет 0-700? С, то наиболее целесообразно использовать термопару типа ТХА (-200?1300? С).

Рисунок 31 - принципиальная измерительная схема автоматического потенциометра

Таблица 3 - исходные данные для расчета измерительной схемы

шкала прибора	0?700? С
градуировка термоэлектрического термометра	ТХА
Расчётное значение температуры свободных концов термометра	t0=200 С
Возможное значение температуры свободных концов термометра	t0=500 С
начальное значение шкалы	Е(tH, t0)=-0,798 мВ
Конечное значение шкалы	Е(tK, t0)=28,33 мВ
Диапазон измерений	Ед=29,128 мВ
Нормированное номинальное сопротивление реохорда	RH.Р= 90 Ом
нерабочие участки реохорда	(=0.025),2=0.05
Нормированное номинальное значение падения напряжения на резисторе RK	UK=1019 мВ
Выходное напряжение ИПС - 148 П	UИП=5 В
Номинальное значение силы тока в цепи ИПС - 148 П	I0=5 мА
Сопротивление нагрузки ИПС - 148 П	RИ.П=1000 Ом
Номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы прибора	I1=3 мА
Номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы прибора	I2=2 мА
Температурный коэффициент электрического сопротивления меди	=4.2510-3 0С

Порядок расчёта

Определим Rn:

Ом;

Определим приведенное сопротивление реохорда Rпр:

Ом.

Произведём проверку правильности определения Rпр:

мВ.

Вычислим Rk:

Ом;

Принимаем сопротивление контрольного резистора Rk=(509.50,2) Ом.

Определим Rб:

Ом;

Принимаем сопротивление резистора Rб=(3300,5) Ом.

Найдём сопротивление медного резистора RM:

Ом;

Принимаем значение медного резистора RM=(5.330.01) Ом.

Вычислим сопротивление резистора RH:

Ом

Определим значение Rbd:

Ом

Определим R1:

Ом;

Принимаем R1=800 Ом, Ом и Ом.

Определим изменение показаний потенциометра для конечного значения шкалы при изменении температуры свободных концов термометра от t0=200 С до t0=500 С:

5. Описание работы принципиальной схемы автоматической системы контроля давления природного газа

АСК давления природного газа состоит из первичного измерительного прибора, которым является бесшкальный манометр с одновитковой трубчатой пружиной с дифференциально-трансформаторным датчиком (типа МЭД-22364, верхний предел измерения 1.6 МПа), схема которого приведена на рисунке 32, и приемника информации, в качестве которого используется вторичный прибор типа КСД дифференциально-трансформаторного типа.

Рисунок 32 - схема бесшкального прибора с дифференциально-трансформаторным датчиком: 1 - трубчатая пружина; 2 - плунжер; 3-обмотка преобразователя

Под действием разности давления внутри и снаружи трубчатой пружины 1, в слоях материала возникают растягивающие и сжимающие силы, деформируется поперечное сечение, в результате чего перемещается свободный конец и плунжер дифференциально-трансформаторного датчика 2.

Перемещение плунжера изменяет взаимную индуктивность между обмотками преобразователя 3, а вместе с тем и напряжение (Э.Д.С.) на выходе прибора. Выходной сигнал манометра с одновитковой трубчатой пружиной пропорционален измеряемой разности давлений.

Вторичный прибор КСД работает в комплекте с манометром с одновитковой трубчатой пружиной. В качестве компенсирующего элемента в приборе используется дифтрансформаторная катушка с перемещающимся в ней сердечником. Перемещение плунжера преобразователя первичного прибора, которое осуществляется чувствительным элементом, зависит от величины измеряемого параметра. В прибор КСД встроен аналогичный дифтрансформаторный преобразователь, сердечник в его катушке перемещается с помощью профилированного лекала, поворот которого осуществляется реверсивным двигателем.

Первичные обмотки компенсирующего и передающего ДТ-преобразовательных элементов включены последовательно и питаются напряжением переменного тока промышленной частоты от специальной обмотки силового трансформатора усилителя.

Вторичные обмотки ДТ-преобразовательных элементов включены по компенсационной схеме, в которой на вход усилителя поступает сигнал ДU = Uвых1 - Uвых2, где Uвых1, Uвых2 - выходные сигналы передающего и компенсирующего ДТ-преобразовательных элементов.

При нулевом значении преобразуемого параметра сердечники манометра и КСД находятся в средних положениях, в которых Uвых1 = Uвых2. При этом на вход усилителя поступает сигнал ДU = 0, обеспечивающий нахождение указателя на начальной отметке шкалы. Отклонение параметра от нулевого значения вызывает деформацию чувствительного элемента, сопровождаемую перемещением сердечника из среднего положения.

На выходе передающего ДТ-преобразователя формируется сигнал Uвых1, отличный от нуля. Этот сигнал усиливается до значения, достаточного для приведения в движение ротора двигателя. Ротор поворачивает лекало и перемещает сердечник компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Движение ротора происходит до тех пор, пока сердечник не займет такое положение, при котором Uвых2 = Uвых1. В тот момент сигнал ДU = 0 и движение ротора прекращается. О значении измеряемого параметра судят по положению указателя, кинематически связанного с ротором реверсивного двигателя, на шкале. Для контроля исправности измерительного прибора используется кнопка, при нажатии которой закорачиваются выходы передающего ДТ-преобразовательного элемента, и на вход усилителя поступает сигнал только с компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Если прибор исправен, то указатель должен переместиться на контрольную отметку шкалы.

Основная допустимая погрешность прибора в комплекте со вторичным прибором КСД составляет ±2,5% от верхнего предела измерения (в том числе погрешность самого вторичного прибора не более ±1%).

Заключение

В настоящем курсовом проекте кратко описана сущность процессов доменной печи, приведена структурная схема объекта управления, показана взаимосвязь между входными и выходными переменными, указаны основные контролируемые параметры.

Также приведена классификация методов контроля давления, кратко изложена их сущность, достоинства и недостатки, а также область применения.

Рассчитана измерительная схема автоматического потенциометра.

Графическая часть проекта представляет собой чертеж формата А2, на котором изображена принципиальная схема системы автоматического контроля давления природного газа, а также приведено описание работы схемы.

Список использованной литературы

1. Автоматизация управления металлургическими процессами. Каганов В.Ю., Блинов О.М., Беленький А.М. М., «Металлургия», 1974. 416 с.

2. Титовский А.В., Дружинина А.А. Технические измерения и приборы. Термометры. Маномаетры. Расходомеры. Уровнемеры: Учеб. Пособие / Гос. Образоват. Учреждение «ГАЦМиЗ». - Красноярск, 2003. - 116 с.

3. Технологические измереня и приборы для химических производств. Кулаков М.В. М., «Машиностроение», 1983. 496 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5