Реферат: Управление техническими системами (лекции)

          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.

                                                          Типы ИУ:

1) Плунжерные – расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор»  (см. рис.). Форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h – положение штока).

2) Шланговые – расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1).

3) Диафрагмовые – используют гибкие мембраны.

5) Краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол.

6) Задвижки – расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.

          2.5. Исполнительные механизмы.

          Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются по:

- виду энергии, создающей перестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.);

- виду движения (прямоходовые, однооборотные и многооборотные);

- принципу создания перестановочного усилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные, электродвигательные и др.).

          Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях. Недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности.

      Входным сигналом этих ИМ является давление сжатого воздуха, которое, воздействуя на мембрану, создает усилие

F = Sэф (Рu – Ро),

где Pu – управляющее давление,

Ро – начальное давление, при котором создается движение плунжера,

Sэф – эффективная площадь мембраны.

          Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродействие, точность позиционирования, компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях.

          Подразделяются на электродвигательные (привод от двигателя) и электромагнитные.

          Промышленность выпускает практически только электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В:

          - многооборотные (МЭМ),

          - однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º,

          - прямоходовые (МЭП).

          Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 сек, номинальный ход 0,25 оборота).

          3. Функциональные схемы автоматизации

          3.1. Условные обозначения

          Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружностей (см. рис. 2.30, а и б).

          Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная разделительная линия (см. рис. 2.30, в и г). Если функция, которой соответствует окружность, реализована в системе распределенного управления (например, в компьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рис. 2.30, д).

          Внутрь окружности вписываются:

- в верхнюю часть  - функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств);

- в нижнюю - позиционные обозначения приборов и устройств.

          Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с помощью тонких сплошных линий.

          Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского алфавита и состоят из трех групп букв:

1 буква -  Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр:

D - плотность,

Е - любая электрическая величина,

F - расход,

G - положение, перемещение,

Н - ручное воздействие,

К - временна’я программа,

L - уровень,

М - влажность,

Р - давление,

Q - состав смеси, концентрация,

R - радиоактивность,

S - скорость (линейная или угловая),

Т - температура,

U - разнородные величины,

V - вязкость,

W – масса.

2 буква (не обязательная) - уточнение характера измеряемой величины:

D - разность, перепад,

F - соотношение,

J - автоматическое переключение,

Q - суммирование, интегрирование.

3 группа символов (несколько букв) - функции и функциональные признаки прибора:

I - показания,

R - регистрация,

С - регулирование,

S - переключение,

Y - преобразование сигналов, переключение,

А - сигнализация,

Е - первичное преобразование параметра,

Т - промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние,

К - переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция.

          Условные обозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на рис. 2.31:

- автоматическая защита из системы противоаварийной защиты (ПАЗ, см. рис. 2.31,а);

- технологическое отключение (включение) из системы управления (см. рис. 2.31, б);

- регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально открытый) – рис. 2.31, в;

- регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально закрытый) – рис. 2.31, г;

- управляющий электропневматический клапан (ЭПК) – рис. 2.31, д;

- отсекатель с приводом (запорный клапан) – рис. 2.31, е.

          3.2. Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации

          (В скобках указаны примеры типов приборов)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7