Контрольно-измерительные приборы. Датчики давления, температуры, разницы давлений

Автоматизация технологических процессов (далее АСУ ТП) является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшении условий труда. Все существующие и строящиеся объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации. На предприятиях со сложным технологическим процессом, особенно в газопереработке, применяется комплексная автоматизация ряда технологических процессов. Осуществляется контроль и регулирование большего количества параметров за счёт чего существенно повышается производительность труда рабочих, повышается экономическая эффективность, уменьшение себестоимости продукции и улучшения её качества.

Автоматизация не только освобождает или разгружает человека, но и обеспечивает работу производства с такой скоростью, точностью и надёжностью, которую человек своим непосредственным участием обеспечить не в состоянии.

Для работы систем АСУТП и отображения параметров на станциях управления используются контрольно-измерительные приборы (КИП), устройство основных из них рассмотрим в данной статье.

Термометры сопротивления

Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.

Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180°С, для платиновых — от -200 до +750°С) очень стабильна и воспроизводима, за счет чего обеспечивается взаимозаменяемость. Для защиты приборов от воздействия сред применяются защитные чехлы, большой ассортимент которых позволяет подобрать оптимальный по параметрам среды тип.

Схемы подключения термометров сопротивления

Термопары

Принцип действия термопар (термоэлектрических пирометров) основан на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) при нагревании спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство - термопарой.

Его действие основано на эффекте Зеебека – появление ТЭДС в контуре, состоящем из двух однородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной по значению ТЭДС можно судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, который соприкасается с измеряемой средой, - горячим.

В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе – отрицательного.

Величина ТЭДС термопары U зависит от материала термоэлектродов и разности температур спаев, поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизирую, либо вводят поправочный коэффициент на ее изменение.

В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары крайне затруднительна, поэтому как правило обычно используют второй способ - автоматическое введение поправки на температуру.

Термопреобразователи различают:

по способу контакта с окружаемой средой – погружаемый, поверхностные;
по условиям эксплуатации – стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения;
по защищённости воздействия окружающей среды – обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий;
по герметичности к измеряемой среде – негерметичные, герметичные;
по числу термопар – одинарные, двойные, тройные;
по числу зон – многозонные, однозонные.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то ТЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительные прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуированного значения, равного 0, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.

Существует два способа подбора компенсационных проводов. Первый – провода, которые в паре с соответствующим электродом имеют ТЭДС. Его применяют в тех случаях, когда необходимо производить измерения с повышенной точностью. В случае экономической доступности материалов и допустимых эксплуатационных свойств провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции:

измерить ТЭДС в цепи преобразователя;
определить температуру свободных концов;
в измеряемую величину ТЭДС ввести поправку на температуру свободных концов;
по известной зависимости ТЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды.

В зависимости от материала термоэлектродов различают:

термопреобразователи с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов;
термопреобразователи с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной ТЭДС, широко пользуются для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.

Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяются для измерения температуры до 1000 °С.

Главным достоинством таких термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие ТЭДС.

Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также для удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру, материал и исполнение которой могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широкое применение в качестве материалов имеют высоколегированные стали и коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома с добавками алюминия, кремния, марганца.

В промышленности применяют разные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов хрома и никеля (хромель), меди и никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама и рения (вольфрамрений). Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (предельная температура 1000°С), платинородий-платина (предельная температура 1600°С) и вольфрамрений с5% рения — вольфрамрений с 20% рения (предельная температура 2200°С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимость градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без каких-лихбо вмешательств в остальную измерительную цепь.

Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах, на которых указан тип термопары. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния и т. п.

В таблице указаны пределы допускаемых отклонений ТЭДС от НСХ преобразования, выраженные в температурном эквиваленте для разных типов термопар в зависимости от диапазона рабочих температур

Реле давления

Реле давления используются в системах контроля, регулирования и сигнализации давления. Данные реле обеспечивают своевременное замыкание и размыкание электрической цепи при достижении определённого значения давления, и применяются для контроля и регулирования давления газа и жидкости. Эффективность работы реле обозначена различными диапазонами измеряемой величины

Рассмотрим устройство и принцип работы на примерах конкретных реле давления.

Рабочей (контролируемой) средой данного реле является газ. Перед применением реле РД-2 необходимо настроить. Настройка давления осуществляется с помощью винта основной шкалы (1). Этим винтом вращается шпиндель и тем самым зажимается пружина (4). С помощью винта дифференциала (2) сжимается пружина (5) и устанавливается разница, которая должна быть между переключениями контактов (дифференциал и гистерезис). В нормальном состоянии, т.е. когда давления нет или оно минимально, у реле РД-2 контакты 1 и 2 замкнуты. При возрастании давления, сильфон (6) начинает расширяться и давить на основную пружину (4) . Когда давление достигнет максимального значения установки, основной рычаг (3) переключает контакты - замыкаются контакты 1 и 4. Обратное переключение контактов (замыкаются контакты 1 и 2) происходит, когда давление опускается до значения установки минус значение дифференциала (гистерезиса).

Применяются данные реле исключительно в качестве управляющих приборов для систем ПАЗ(противоаварийной защиты), либо как прибор регистрирующий сам факт того, что достигнуто предельное значение давления, что опять же относит его по типу применения в область СиПАЗ.

Датчики давления

Датчики давления предназначены для непрерывного преобразования значений избыточного давления жидких, газообразных, в том числе агрессивных, сред, в унифицированный выходной токовый сигнал 4-20 мА и в цифровой сигнал на базе HART-протокола.

Номинальные статические характеристики преобразователя для унифицированного выходного сигнала:

I - текущее значение выходного сигнала, соответствующее измеряемому давлению, мА;

Iв и Iн - верхнее и нижнее предельные значения выходного сигнала, мА;

Рв и Рн - верхний и нижний пределы измерений давления, кПа, МПа или кгс/см2;

Р - значение измеряемого давления в тех же единицах, что и Рв и Рн.

Конструкция датчиков давления представлена на рисунке ниже. Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного тензопреобразователя 2, измерительной мембраны 3, жёсткого центра со штоком 4, электронного преобразователя 5, штуцера 6. В датчиках давления измеряемое избыточное давление Р воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жёстком центре, которое через шток 4 передаётся на рычаг тензопреобразователя 2.

Перемещение конца рычага вызывает деформацию измерительной мембраны тензопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы, которые соединены по мостовой схеме. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при ее разбалансе, подаётся в электронный преобразователь 5.

Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал.

Функционально электронный преобразователь состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, цифро-аналогово преобразователя (ЦАП), стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех и блока регулировки и установки параметров.

Конструктивно АЦП, блок памяти АЦП размещается на плате АЦП, которая объединятся с измерительным блоком в сборочную единицу-сенсор давления.

Остальные элементы функциональной схемы размещаются в корпусе электронного преобразователя. Плата АЦП принимает аналоговые сигналы преобразователя давления, пропорциональные входной измеряемой величине (давлению) (Up) и температуре (Ut), и преобразовывает их в цифровые коды. Энергозависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик сенсорного блока и других данных о сенсорном блоке.

Микроконтроллер, установленный на микропроцессорной плате, принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передаёт его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал.

Блок регулирования и установки параметров предназначен для изменения параметров датчика.

Схема подключения датчиков

Установка значения выходного сигнала датчика давления, соответствующего нулевому значению измеряемого давления

Закрыть вентиль поз. 3;

Открыть вентиль поз. 2, и дождаться полного слива технологического вещества;

С помощью кнопок управления или HART-коммуникатора, произвести установку нулевого значения прибора поз. 1;

Закрыть вентиль поз. 4;

Открыть вентиль поз. 3.

В промышленных условиях, при использовании со средами где возможна кристаллизация, а также в условиях низких температур, необходимо организовывать постоянный обогрев, а также периодически прокачивать линии метанолом или схожим по свойствам веществом во избежание образования кристаллгидратов.

Датчики разности давления

Датчики разности давления предназначены для непрерывного преобразования значений разности давлений жидких и газообразных, в том числе агрессивных, сред, в унифицированный выходной токовый сигнал 4-20 мА и в цифровой сигнал на базе HART-протокола.

Номинальные статические характеристики преобразователя для унифицированного выходного сигнала

I - текущее значение выходного сигнала, соответствующее измеряемому давлению, мА;

Iв и Iн - верхнее и нижнее предельные значения выходного сигнала, мА;

Рв и Рн - верхний и нижний пределы измерений давления, кПа, МПа или кгс/см2;

Р - значение измеряемого давления в тех же единицах, что и Рв и Рн.

Конструкция датчиков давления представлена на рисунке ниже. Преобразователь давления 4 мембранно-рычажного типа размещён внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремнийорганической жидкостью (для датчиков кислородного исполнения жидкость – ПЭФ-70/110), и отделён от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8.

Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 и с помощью тяги 5. Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Воздействие измеряемой разности давлений (большее давление подаётся в камеру 7, меньшее в камеру 12) вызывает прогиб мембран 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подаётся в электронный преобразователь.

Установка значения выходного сигнала датчика разности давления, соответствующего нулевому значению измеряемой разности давления:

Закрыть плюсовой вентиль поз. 4;

Закрыть минусовой вентиль поз. 3;

Открыть уравнительный вентиль поз. 2;

С помощью кнопок управления или HART-коммуникатора, произвести установку нулевого значения прибора поз. 1;

Закрыть уравнительный вентиль поз. 2;

Открыть минусовой вентиль поз. 3;

Открыть плюсовой вентиль поз. 4.

Сужающее устройство (диафрагма)

Обслуживание импульсных линий

После капитального ремонта оборудования все импульсные линии следует продувать, а линии, в которые возможно попадание воздуха или шлама, кроме того, должны продуваться с определенной периодичностью.

Первичные запорные органы на отборных устройствах при эксплуатации должны обеспечивать возможность отключения импульсных линий при работе оборудования. Ремонт первичных запорных органов и все операции с ними (открытие, закрытие) осуществляет персонал, обслуживающий технологическое оборудование.

Импульсные линии соединяют точки измерения давления (отбора импульса) жидких и газообразных сред с измерительными преобразователями давления, уровня, расхода и др. Они заполнены либо измеряемой средой, либо разделительной жидкостью.

От состояния импульсных линий в значительной мере зависят погрешность, инерционность и надежность измерения параметра. Погрешность измерений увеличивается из-за любых пропусков (свищей, присосов), а также при перетоках через уравнительные линии, изменении плотности заполняющей или разделительной жидкости вследствие ее неравномерного прогрева и образования воздушных мешков.

Инерционность измерительных преобразователей увеличивается, если неправильно выбраны (занижены) диаметры импульсных линий или если эти диаметры на отдельных участках уменьшаются вследствие засорения, отложения солей, частичного замерзания или скопления влаги.

Вместе с тем у преобразователей, измеряющих пульсирующее давление, как, например, разрежение (давление) в топочной камере, импульсные линии должны быть задросселированы.

Значительные нарушения плотности импульсных линии, полное забивание их сварочным гратом, шламами, солевыми отложениями могут привести к отказу прибора. Все это определяет особые требования к сортаменту импульсных труб, их прокладке, испытаниям и обслуживанию во время эксплуатации.

Если сортамент труб для импульсных линий выбран правильно, их прокладка и монтаж выполнены в соответствии с нормами и инструкциями, проведены испытания на прочность и плотность, то в эксплуатации они не требуют особого обслуживания, необходимы лишь их систематические осмотры и продувки. Во время осмотра должна проверяться главным образом их плотность. Пропуск продувочной арматуры и уравнительных вентилей обнаруживается по нагреву импульсных линий, свищи — визуально и по шуму.

Засорение импульсных линий определяется по изменению чувствительности и инерционности измерительных преобразователей и устраняется продувкой. Последняя должна производиться после капитального ремонта оборудования, выполнения сварочных работ на импульсных линиях и по графику, в котором периодичность продувки должна быть выбрана на основании опыта эксплуатации импульсных линий разного назначения. Продувка импульсных линий одного из преобразователей может привести к неправильной работе других, в этих случаях должны применяться особые меры предосторожности: отключение устройств, на которые воздействуют данные преобразователи, оповещение вахтенного персонала и др.

При продувке следует иметь ввиду, что к некоторым заборным устройствам (измерительным диафрагмам, импульсным перемычкам и др.) могут быть параллельно подключены несколько измерительных преобразователей, используемых в различных подсистемах, например технологический контроль, автоматические регуляторы, защиты. Общий порядок продувки импульсных линий определен в инструкциях по эксплуатации устройств системы управления.