Вимірювання вологості газу в трубопроводі

Відношення опору термоперетворювачів при 100єС до опору при 0єС повинне відповідати W100 = 1,3910. Статична характеристика рисунок 13 перетворювача повинна відповідати формулі (1):

Rt = Wt R0 (1)

де Rt - опір перетворювача Ом, при температурі t, Wt - значення відношення опору при температурі t до опору при 0єС.

Рисунок 13 - Статична характеристика

4.2 Розрахунок ємнісного перетворювача вологості

Ємність будь-якого конденсатора залежить від трьох основних параметрів: площі пластин S, відстані д між пластинами і діелектричної проникності середовища е між пластинами конденсатора, формула 2.

. (2)

Із наведеної формули бачимо, що зміни ємності можна досягти, змінивши значення однієї з величин д, е або S. Для розроблюваного приладу використовуємо зміну діелектричної проникності середовища, тобто д=const, S=const, тому використаємо формулу (3) [4]

(3)

Його характеристика С=f (е) буде лінійною рисунок 14

Рисунок 14 - Характеристика ємнісного перетворювача

Для перевірки впливу тиску на ємнісний датчик використовується калібратор вологості, схема якого зображена на рисунку 15, який моделює умови трубопроводу.

Рисунок 15 - Схема калібратора вологості

1 - балон з якого в систему подається тиск до 17 МПа, редуктор 2 понижує тиск до значення р, через пристрій насищення 3 з температурою Т і вологістю близькою до 100%, газ потрапляє до камери генератора 5, який знаходиться в термостаті 6 де проходить конденсація надлишку вологи і насичення пари в газі до 100%. У вимірювальній камері 8 термостату 7 вимірюється вологість.4,10 - перетворювачі тиску, 9 - редуктор, 11 - капіляр

4.3 Розрахунок габаритно-монтажних параметрів приладу

Для правильного функціонування приладу необхідне точне визначення габаритно-монтажних розмірів розроблюваного приладу рисунок 16

Рисунок 16 - Габаритно-монтажні розміри приладу

Габаритні розміри приладу визначаються шляхом додавання розмірів складових елементів, деталей. Гільза з чутливим елементом занурються в вимірювальне середовище на 90мм. До трубопроводу прилад приєднується за допомогою різьбового з'єднання М20. Дані розміри вибрано з конструктивних міркувань.

Також для повноцінного функціонування приладу вимірювання вологості газу необхідний датчик тиску рисунок 17, використовуємо перетворювач тиску АИР - 20 ДА, який призначений для використання в системах автоматичного контролю, регулювання і управління технологічними процесами і призначений для безперервного перетворення в уніфікований вихідний струмовий сигнал 4.20 мА абсолютного тиску.

Рисунок 17 - Габаритно-монтажні розміри датчику тиску

5. Розрахунок метрологічних характеристик

Вимірювачі з ємнісними датчиками мають діапазон вимірювання відносної вологості 0-100% і похибку 2-3%. Стандартна похибка вимірювання температури складає 0,3-0,5°с. Похибка вимірювання різна для різних параметрів вологості і неочевидним чином пов'язана з похибкою вимірювання початкових величин - відносної вологості і температури. Проте, її значення досить просто виходить шляхом нескладних математичних викладень. Оскільки такий аналіз може бути корисний споживачам, він проведений в даному розділі.

Щоб уникнути непорозумінь відразу ж підкреслимо, що " похибка вимірювання температури" це не "додаткова температурна похибка датчика вологості". Перша приводить до того, що при обчисленнях в приладі використовується неправильне значення температури. Ця похибка присутня при всіх температурах, зокрема і при кімнатній. Тому вона впливає на значення основної похибки всіх величин вологості, що отримуються шляхом розрахунку із зміряних значень відносної вологості і температури. Сенс другої похибки виражається її назвою "додаткова", тобто ця похибка виявляється тільки при температурах відмінних від кімнатної. Вона обумовлена залежністю параметрів самого датчика вологості від температури.

5.1 Абсолютна вологість (a)

Фактично це щільність водяної пари. Обчислюється за формулою:

(1.4)

ц - відносна вологість (%), E - тиск (кПа) насиченої пари при температурі

T (°С). Діапазон вимірювання рівний:

(1.5)

Видно, що абсолютна вологість залежить як від відносної вологості, так і від температури, в основному - через залежність E від температури. Тому приведена похибка вимірювання абсолютної вологості да визначається похибкою, як датчика вологості, так і датчика температури:

(1.6)

Де дц, дТ - похибки вимірювання відносної вологості і температури, а

У діапазоні від - 50°С до +20°С значення вТ змінюється від 0,11/°с до 0,06/°с. В (1.5) нехтує явною температурною залежністю а, рівною 0,003/°с. Аналіз формули (6) показує:

при низьких значеннях абсолютної вологості (ц~0%) да ~дц

при високих значеннях вологості (ц ~ 100 %)

внесок температурного датчика значний. Так, при похибці вимірювання температури 0,5°с він складає 3%, що рівне похибки, що вноситься датчиком відносній вологості.

5.2 Точка роси (ТD)

Одна з найважливіших величин, що характеризують вологість газу. Визначається як температура, при якій пара стає насиченою, тобто відносна вологість досягає значення 100%. Зрозуміло, що, чим нижче відносна вологість аналізованого газу, тим нижче його точка роси. Математичний опис абсолютної похибки дТD виражається формулою:

(1.7)

На рисунку 18 показана залежність точки роси від відносної вологості для газу, що має температуру 20°с. При зменшенні відносної вологості точка роси зменшується згідно із законом, близькому до логарифмічного. Видно, що поблизу ц=100% (в цьому випадку точка роси близька до температури аналізованого газу) похибка вимірювання відносної вологості в 1% приводить до похибки значення точки роси в 0,16°с, а при ц=2% (точка роси порядку мінус 30°с) похибка зростає до 5°с. Абсолютно очевидно, що розглядати похибки вимірювання відносної вологості 2% при значенні самої величини 2% не має сенсу.

Рисунок 18 - Значення точки роси при 200С

Похибка вимірювання точки роси датчиками відносної вологості залежить не від самої точки роси, а від того, наскільки далеко вона стоїть від температури аналізованого газу, тобто від величини Т-ТD, званої дефіцитом точки роси. Це видно і з формули (7), де дефіцит точки роси - "сухість" газу - виявляється через відносну вологість. Це означає, зокрема, що похибка вимірювання такого високого значення точки роси, як +20°С, для газу з температурою +70°С, буде практично рівна похибці вимірювання такого малого значення, як мінус 30°с, але для газу з температурою +20°С. Адже в обох цих випадках дефіцит точки роси однаковий. Інша ситуація. Похибка вимірювання точки роси +10°С для газу з температурою +20°С значно менше, ніж похибка для газу з температурою +50°С, оскільки в першому випадку дефіцит точки роси багато менше, ніж в другому. Тому завжди розглядаючи похибку, треба брати до уваги не саму точку роси, а її дефіцит. Також коректним буде визначення параметрів для фіксованої температури аналізованого газу, наприклад для 20°с. Слід ще раз зазначити, що дані зауваження справедливі тільки для приладів з датчиками відносної вологості.

Аналіз формули (7) показує:

при малому дефіциті точки роси (ц ~100%)

що при стандартних похибках дХ =3% и дT=0,5°С дає оцінку внесків

датчиків вологості і температури 0,5°с і 0,5°с відповідно.

- при великому дефіциті точки роси (ц ~0%)

тут внесок датчика температури менший (0,3°с), а внесок датчика вологості в загальну похибка вимірювання точки роси катастрофічно наростає з пониженням відносної вологості, що видно з графіків рисунку 18.

5.3 Вимірювання точки роси вище 20°С

Проблема тут полягає в проведенні перевірки. Стандартна методика перевірки багато приладів, не тільки вимірників вологості, припускає проведення вимірювань в 5-ти точках, скажемо 5, 25, 50, 75, 95% від діапазону вимірювань. Розглянемо наступну ситуацію. Перетворювач вологості має діапазон мінус 30.80°с т. р. При його перевірці потрібно провести вимірювання при 70-80°с т. р. Щоб набути такого значення точки роси, необхідно, щоб газ мав вищу температуру. Метрологічне устаткування для цих температур є екзотикою.

Крім того, прилад при високій температурі газу має додаткову похибку, обумовлену тим, що температура аналізованого газу відрізняється від нормальної (кімнатною). Тому проводити його перевірку в такій ситуації не зовсім вірно. Тим часом, деякий вихід з ситуації, що склалася, можливий. Треба провести перевірку приладу по відносній вологості і температурі, а потім на основі набутих значень похибок д? та дТ визначити похибку вимірювання точки роси по формулі (1.7) з урахуванням того, що

5.4 Об'ємний вологовміст (x).

Іншими словами, це об'ємна концентрація пари по відношенню до сухого газу. Обчислюється за формулою:

P - абсолютний тиск газу (кПа). Діапазон виміру (при зневазі тиском пари в порівнянні із загальним тиском):

Для виміру вологовмісту потрібне застосування ще одного датчика - тиски. Тому з'являється додаткове джерело похибки, а формула для приведеної похибки дx набирає вигляду:

д, PВ, Pmin - приведена похибка (%), верхня межа виміру тиску і мінімальне значення тиску відповідно. Надалі вважатимемо, що діапазон зміни тиску малий, тому P E Pmin.

Аналіз формули (6) показує:

- при низьких значеннях абсолютної вологості (ц ~0%)

- при високих значеннях вологості (ц ~100%)

Вклад датчика тиску мінімальний при малих влажностях і наближається до свого максимального значення при високих влажностях. При правильно підібраному датчику тиску цей складник похибки можна звести до значення, нехтує малому в порівнянні з іншими.

Таблиця 3 Діапазони вимірювання та допустимі похибки вимірюваних величин

Вимірювальна величина	Умовне позначення	Діапазон вимірювань	Межі допустимої основної похибки %, від діапазона вимірювань
			Для уніфікованого вихідного сигналу	по вимірювальній величині
Відносна вологість	ц	Від 0 до 100%	+/-2%	+/-2%
Абсолютна вологість (при t=20°C)	а	Від 0 до 18 г/м3	+/-2%	+/-2%
Об'ємний вологовміст (при t=20°C та абсолютному тиску 100кПА)	х	До 28000 млн-1	+/-2%	+/-2%
Температура точки роси	ТD	Від - 30 до 80°С т. р.	+/-1°С +/-3°С +/-6°С	+/-1°С +/-3°С +/-6°С
Температура	T	Від - 40 до 100°С	+/-0,25	+/-0,25

6. Розрахунок швидкодії і точності вимірюваних параметрів

Основними критеріями при створенні автоматизованого вимірювального комплексу (АВК) є надійність і економічна ефективність. Розвиток вимірювальної техніки, розширення круга складання завдань, які вирішуються за допомогою АВК, - усе це ставить перед розробниками ряд складних проблем. До головних з них можна віднести:

забезпечення виміру, збору, оптимізації, обробки значної кількості інформації про стан і якість об'єкту контролю;

забезпечення надійного функціонування усіх приладів і пристроїв, які входять до складу АВК;

підвищення точності вимірів і швидкості пристроїв, які приймають і обробляють інформацію;

значне скорочення числа приладів і пристроїв АВК без зниження його віддачі.

Датчик температури.

Як вимірювач температури в діапазоні - 50…50 єC в розроблюваному приладі використовується термоперетворювач опору з аналоговим виходом і характеристиками:

діапазон виміру: - 50.50 єC;

вихідний сигнал - аналоговий

основна похибка - 0,1%;

швидкодія 0,05 с.

50.50 єC 0… 20мА

Датчик тиску.

Як вимірювач тиску в діапазоні 0…10 МПа в розроблюваному приладі використовується перетворювач тиску АИР - 20 ДА з аналоговим виходом і характеристиками:

діапазон виміру: 0.10 МПа;

вихідний сигнал - аналоговий

основна похибка - 0,4%;

швидкодія 0,05 с.

АИР - 20 ДА

0.500 єC 4…20мА

Датчик вологості.

Як вимірювач воловті в розроблюваному приладі використовується ємнісний перетворювач вологості з аналоговим виходом і характеристиками:

вихідний сигнал - аналоговий

основна похибка - 2,5%;

швидкодія 0,8 с.

4…20мА

Уніфікуючий вимірювальний перетворювач.

В ролі підсилювача вибираємо УИП Ф7200, який має досить високу чутливість, яка досягається використанням оптоелектронного перетворювача. Має блоково-модульне і мікроелектронне виконання.

Характеристики: діапазон вхідної

напруги: 0.70 мВ;

діапазон вихідної напруги: 0.1 В;

основна похибка: 0,05%;

швидкодія: 0,001 с.

Аналогово-цифровий перетворювач

Вибираємо малогабаритний Ф7242 з підвищеною швидкістю і наступними

характеристиками: розрядність N=12;

основна похибка 0,2%;

код I вхід по струму 0.5 мА;

швидкодія 0,001 мкс;

вихід "1" - 2,4 В; "0" - 0,8 В.

Аналоговий комутатор

Вибираємо MAX306, що має високі метрологічні характеристики, малі габарити і вартість. Має наступні характеристики:

кількість вимірювальних каналів N=16;

вхід по струму 0.5 мА;

основна похибка 0,05%;

швидкодія 0,01с.

6.1 Оцінка характеристики ВК по точності і швидкодії

Розрахунок основної похибки ВК.

а) похибка ВК температури:

де Д д=0,1% - похибка датчика;

Д ак=0,05% - похибка аналогового комутатора

Д ацп=0,2% - похибка аналого-цифрового перетворювача

б) похибка ВК тиску:

в) похибка ВК вологості:

За завданням необхідно забезпечити основну похибку виміру не більше 1,0%. Це значення перевищує ВК: вимір вологості в - 2,5%.

В даному випадку доцільно вбудувати в цей канал мікропроцесори, які за допомогою математичних методів зменшують погрішності датчиків як мінімум в 10 разів.

Після цього похибка канала складатиме:

Тепер вимоги по точності у вимірювальній системі задововільні, так як похибка вимірювання не перевищує 1%.

Розрахунок швидкодії ВК.

а) швидкодія ВК температури:

б) швидкодія ВК тиску:

в) швидкодія ВК вологості:

Час повного циклу при послідовному опитуванні датчиків буде рівний сумі швидкодій використаних датчиків

6.2 Вибір апаратури обробки (ЕОМ)

Як апаратура обробки в цьому АИК вибираємо ПЕВМ типу Pentium III - 600, для якої вирішені питання підключення до традиційних обчислювальних систем за допомогою кабелів через стандатртные роз'єми. ПЕВМ Pentium III - 600 оснащений різним програмним забезпеченням, до неї додаються комплекти програм і драйвери управління спеціальними вимірювальними платами, які підключаються до ПЕВМ.

Основні характеристики:

процесор Intel Pentium III тактова частота - 600 Мгц;

розрядність - 64;

співпроцесор - вбудований;

об'єм ОЗУ - 64.256 МБ;

об'єм жорстких дисків - 10 ГБ і вище.

Ці характеристики дозволяють використовувати ПЕВМ Pentium III - 600 як апаратура обробки для проектованого АИК.

Проаналізувавши вихідний сигнал вимірювальних перетворювачів, аналогового комутатора, аналого-цифрового перетворювача, уніфікуючого вимірювального перетворювача, та підібравши оптимальну для обробки даних ЕОМ, можна побудувати схему структурної організації автоматичного вимірювального комплекса рисунок 19. Схема відображає послідовність з'єднань складових частин АВК описаних вище, вихідний сигнал вузлів.

Розроблений прилад включає в себе мікропроцесор, що дозволяє безпосередньо на місці збору даних обраховувати необхідні величини, та тимчасово зберігати результати.

Рисунок 19 - Схема структурної організації АВК

Також схема відображає можливість підключення АВК до ЕОМ, для обробки даних, проведення розрахунків, побудови графічних залежностей. Що робить використання приладу для вимірювання вологості газу в трубопроводі зрозумілим та доступним для користувачів.

Висновок

В результаті виконання даного курсового проекту проведено аналіз методів вимірювання вологості газу в трубопроводі під тиском, підібрано метод, який задовольняє умови завдання, розроблено принципову та структурну схему приладу, визначено основні елементи приладу, проведено розрахунок метрологічних характеристик розроблюваного приладу.

Для точки роси діапазон виміру мінус 30.20°С т. р. Похибка виміру залежить від дефіциту точки роси.

Для абсолютної вологості діапазон виміру визначається температурою газу. При 20°З максимальна абсолютна вологість ~18 г/м3. При збільшенні температури на 10°З діапазон вологості збільшується приблизно в 1,8 разу. Похибка залишається рівною 2-3%, але обчислюється вже від "нового", більшого значення. Тому, будучи приведеною до "старого" діапазону, похибка збільшується і досягає 3,5-5,5%. Аналогічно, при зменшенні температури на 10°З, діапазон зменшується і похибка, приведена до початкового діапазону, стає рівною 1-1,5%.

Усе сказане про абсолютну вологість - про вплив температури і відносної вологості на діапазон виміру (0-28000 млн - 1) про похибку - відноситься і до вологовмісту. Додатковою проблемою є необхідність виміру тиску. У приладі передбачено два варіанти обліку тиску.

Перший припускає, що тиск газу відомий заздалегідь і практично не міняється. Тоді за допомогою програми конфігурації значення тиску записується в прилад і при розрахунку вологовмісту воно враховується. Тут потрібно розуміти, що уся похибка зміни тиску повністю увійде до похибки виміру вологовмісту.

Другий варіант обліку тиску полягає в його вимірі. Прилад може вимірювати вихідний струм 4-20 мА (струмова петля), що поступає від зовнішнього перетворювача тиску. Для цього необхідно: а) підключити перетворювач тиску до приладу.

Список літератури та посилань

1. Физико-химические измерения // Измерительная техника - А.В. Крюков, К.В. Куриленок. 2008, №2 с 60-64.

2. Микроэлектронные датчики влажности // Зарубежная электронная техника А.И. Бутурлин. и др 1984, №9 с 3.

3. Приборы и методы температурных измерений: / Б.М. Олейник. М.: - 1987, с 103-125.

4. Перетворюючі пристрої приладів: Підручник / О.М. Безвесільна, П.М. Таланчук - К.: 1994. - с 80-89.

5. http://www.centrkip.ru/

6. http://prkomplekt.ru/index.html

7. www.metran.ru

8. http://www.teplolider.ru

9. www.atom-e-detal.ru

Страницы: 1, 2