Практикум по системам управления химико-технологическими процессами

50

ТЕМА 5. ВЫБОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Измерение температуры

Измерения температуры проводятся двумя методами: контактным и бесконтактным. При контактных методах, наиболее распространенных в технологических процессах, используются манометрические термометры (от –200 до +600 ¼С), термоэлектрические преобразователи (от –50 до +1800 ¼С), термопреобразователи сопротивления (от –200 до +600 ¼С).

Чувствительный элемент термометров размещается непосредственно в измеряемой среде, т. е. в контакте с ней. Промышленные преобразователи, как правило, имеют защитный кожух (чехол), способный противостоять механическим и химическим воздействиям сред. На нем может быть выполнен участок с резьбой (штуцер), позволяющий осуществлять герметизацию относительно окружающей среды.

Общих правил установки рассматриваемых преобразователей не существует, но при измерениях должны соблюдаться определенные условия. В поток газов и паров, протекающих по трубопроводу, термопреобразователи следует располагать против направления потока в его центре (рис. 5.1, а).

а

б

в

Рис. 5.1. Способы установки первичных измерительных преобразователей при измерениях температуры

51

Радиальные расположения допустимы для газопроводов большого диаметра (рис. 5.1, б). На трубах малого диаметра делаются специальные расширители (рис. 5.1, в).

При выборе термопреобразователей необходимо учитывать их инерционность, т. к. всякий технологический объект нагревается (охлаждается) с разной скоростью. На объектах, где эти скорости малы, инерционность не играет существенной роли, однако при быстро протекающих процессах для получения достоверных показаний необходимо использовать преобразователи с малой инерционностью (для промышленных преобразователей она составляет от 10 до 240 с).

Бесконтактный метод измерения позволяет избегать непосредственного контакта преобразователя с измеряемой средой и не искажает ее температурное поле. Позволяет производить измерение температур пламени, факелов и высоких температур газовых потоков, когда использование других методов затруднено, а также неподвижных или медленно движущихся тел, нагретых до видимого свечения (прокатываемый металл, пластмассы, другие полимерные материалы).

Задача 1

Выбрать средство получения информации о температуре воздуха в трубопроводе диаметром 40 мм. Информация необходима для местного и дистанционного (с записью) контроля. Параметры измеряемой среды: температура от 200 до 250 К, давление 2,8 МПа.

Решение

Выбираем термометр сопротивления ТСП--5071 (двойной), предел измерения (–200)Ã(+750) ¼С, Р = 64 кгс/см2, материал – Сталь Х18Н10Т.

Применение двойного термопреобразователя позволяет установить два вторичных прибора, один из которых располагается вблизи места измерения, а другой на щите управления. К одинарному термопреобразователю нельзя присоединить два прибора. На рис. 5.2 приведен пример функциональной схемы измерения температуры воздуха в трубопроводе.

52

		ТЕ
		1-1
	месте	TIR
		1-2
Приборы	на
	на щите	TIR
		1-3

Рис. 5.2. Функциональная схема измерения температуры воздуха в трубопроводе

Задача 2

Выбрать термометры для получения измерительной информации на пульте управления о температуре газа, измеряемой в трех точках по высоте реактора диаметром 2 м. Температура меняется в диапазоне от 20 до 550 ¼С. Давление газа 4 МПа.

Решение

Выбираем термоэлектрический термометр ТХА-0515, монтажная длина 1000 мм, Р = 40 кгс/см2, Т = –50…+600 ¼С, Сталь Х18Н10Т.

Подбираем многоточечный потенциометр КСП 4, погрешность показаний – 0,25 %, погрешность записи – 0,5 %, ширина диаграммной ленты – 250 мм. На рис. 5.3 приведен пример развернутой функциональной схемы измерения температуры.

		53
		ТЕ
		1-1
		ТЕ
		1-2
		ТЕ
		1-3
	на месте
Приборы	на щите	TJIR
		1-4

Рис. 5.3. Развернутая функциональная схема измерения температуры

5.2. Измерение давления и разности давлений

Для выбора средств измерения необходимо знать, для чего и в какое место поставляется измерительная информация. Если наблюдение осуществляется в непосредственной близости от объекта, то используются разнообразные измерительные приборы, снабженные шкалой (рис. 5.4, а), хотя последние могут устанавливаться на расстоянии до 30 м (при измерении давления до 103 Па) или до 50 м (при больших давлениях).

Если же измерительная информация должна передаваться на большие расстояния, то необходима установка одного измерительного преобразователя бесшкального (рис. 5.4, б) или нескольких, например, при передаче информации из взрывоопасной зоны на далеко расположенный пульт управления (рис. 5.4, в).

Возможен и случай, когда нужно осуществлять контроль над давлением непосредственно у аппарата и получать сигнал

				54
о его предельном значении на ПУ. Для этого часто используются
электроконтактные приборы, например манометр с электрическим
выходным дискретным сигналом (рис. 5.4, г). Подобными соображе-
ниями следует руководствоваться и при измерениях разности давле-
ний (рис. 5.4, д).
		a	б	в		г	д
	месте	PI	PT	PT	PY	P/E	PdT
						PIS
		1-1	2-1	3-1	3-2		5-1
						4-1
Приборы	на
			PIR		PIRA		PdIR
			2-2		3-3		5-2
	на щите					4-2	4-3
	Рис. 5.4. Функциональные схемы измерения давления
			и разности давлений

Несмотря на большое разнообразие случаев измерения, для получения достоверных данных необходимо выполнить ряд определенных требований.

Прежде всего, необходимо определить примерную величину измеряемого давления, возможный диапазон его изменения (особенно верхний предел), свойства среды, требуемую точность, дальность передачи информации и т. п.

Шкала манометров (верхний предел измерения) выбирается таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не менее 3/4 верхнего предела измерения при постоян-

55

ном давлении и не менее 2/3 верхнего предела измерения при переменном давлении.

Задача 1

Выбрать манометр для местного измерения постоянного давления неагрессивного газа в резервуаре: а) 0,3 МПа; б) 26 МПа.

Решение

Верхние пределы измерения манометров выбираются из ряда 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10n, где n – любое целое положительное или отрица-

тельное число.
Выбираем верхние пределы измерения:
а)	0,3/0,75 = 0,4 МПа, принимаем верхний предел измерения
не более 0,4 МПа и шкалу 0–0,4 МПа;
б)	26/0,75 = 34,7 МПа, т. е. желательно, чтобы верхний предел

был не более 34,7 МПа. Однако приходится выбирать шкалу

0–40 МПа, т.	к. ближайшая	шкала с	меньшим	пределом
0–25 МПа не может быть использована.
Найденные	таким образом	пределы	измерения	соотносим

с определенным типом манометра, удовлетворяющего требованиям (для фреона, кислорода, пара и т. п.). Для нашего случая можно использовать относительно простые и дешевые показывающие манометры без выходных сигналов типа МТ2 с диаметром корпуса 60 мм, классом точности 4,0 и радиальным присоединением.

В ряде случаев установка манометров по месту (теплообменники, автоклавы и т. п.) требует их защиты от действия высоких температур газа или пара. Для этого перед манометром устанавливают так называемую сифонную трубку в виде буквы U или кольцевой петли. Если же среда агрессивна по отношению к чувствительным элементам манометров, вязкая и является жидким металлом, то необходима установка мембранных устройств или разделительных сосудов. Их выбор не представляет сложности, т. к. пределы измерений достаточно широки. Вносимая при этом погрешность не превышает Ä1 %.

Ряд манометров помимо отсчетного и записывающего устройств могут иметь на выходе дискретные (включено-выключено) или аналоговые (непрерывные) сигналы, что позволяет осуществлять контроль давления как на месте, так и на щите управления, где размеща-

56

ется вторичный измерительный прибор, способный воспринимать эти сигналы. Примером такого решения может быть использование манометра МП4–V с унифицированным пневматическим выходным сигналом (рис. 5.5).

	месте	PIT
		1-1
	на
Приборы
	на щите	PI
		1-2

Рис. 5.5. Схема установки манометра МП4–V

Большое распространение при непрерывном измерении давления или разности давлений получили бесшкальные приборы, т. е. измерительные преобразователи давления или унифицированные датчики давления. Значительная часть из них работает по принципу компенсации усилий и имеет на выходе только аналоговые (электрические или пневматические) унифицированные сигналы. Диапазон измеряемых давлений достаточно широк: от 0 до 1000 МПа, т. е. охватывает как область разряжения (вакуум), так и область избыточного давления жидких и газообразных сред. Широкое распространение в химтехнологии нашли преобразователи давления типов 13ДИ, 13ДВ, 13ДА и 13ДИВ с пневматическим выходным сигналом. Более высокую точность (класс точности 0,25; 0,5) измерения позволяют обеспечить измерительные преобразователи электрической ветви ГСП типов §Сапфир- и §Сапфир-22Ех-, последние кроме того имеют взрывозащищенное исполнение, что немаловажно, т. к. конструктивно преобразователь выполняется совмещенным с электронным устройством. Эти унифицированные преобразователи незаменимы в условиях АСУТП, т. к. имеют на выходе унифицированный электрический сигнал постоянного тока.

57

Любой из типов преобразователей устанавливается в непосредственной близости от места отбора давления на полу (стойка) или на стене (кронштейн), а унифицированный сигнал подается по кабелю (трубке) на вторичный прибор на щите.

В некоторых технологических процессах возникает необходимость измерения разности (перепада) давлений между двумя аппаратами, по высоте колонны, у сужающего устройства и т. д. Для этого применяют дифференциальные манометры (дифманометры) и измерительные преобразователи разности давлений. Из этого следует, что отбор давлений осуществляется одновременно в двух точках, а к преобразователю от них подводятся две трубки (импульсные), как это показано на рис. 5.4, д.

Дифманометры всех типов предназначены не только для измерения собственно перепада давлений, но и могут быть использованы для измерения расхода жидкостей, пара и газа при работе в комплекте с сужающим устройством, а также уровня жидкости, поэтому при выборе необходимо сразу определить, для какой цели они используются. Это обстоятельство определяет выбор верхнего предела измерений, который, например, для дифманометров – расходомеров находится из ряда А = а∙10n, где а – одно из чисел: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; n – целое число.

Верхний предел измерений дифманометров – перепадомеров соответствует предельным номинальным перепадам давления, приводимым в справочной литературе.

Задача 2

Имеется вторичный измерительный прибор с дифференциальнотрансформаторной схемой КСД1. Можно ли его использовать для дистанционного контроля перепада давления неагрессивного газа по высоте колонны ∆Р = 0,21 кПа, избыточном давлении 0,15 МПа и какие еще нужны для этого СИ?

Решение

Прежде всего выясняем, что данный прибор может быть использован для достижения цели, т. к. применяется и для измерения перепада давления, но может работать только в комплекте с измерительным преобразователем ∆Р, преобразующим ∆Р

58

в электрический параметр – комплексную взаимную индуктивность, изменяющуюся в пределах 0–10 мГн.

Вкачестве такого преобразователя можно использовать дифманометр колокольный типа ДКО модели 3702 с пределом измерения ∆Р = 0,25 кПа. Схема измерения при этом соответствует рис. 5.4, д. Недостатком выбранного преобразователя является трудность преобразования сигнала для использования в АСУ ТП и малая помехоустойчивость сигнала.

Вэтом плане более перспективны измерительные преобразователи перепада давления, имеющие унифицированные электрические (токовые) и пневматические выходные сигналы.

Задача 3

Выбрать СИ для текущего дистанционного контроля (до 500 м) перепада давления ∆Р = 0Ã0,051 МПа между двумя аппаратами, находящимися под избыточным давлением 6,8 МПа и расположенными на наружной установке (эксплуатация в зимних условиях при t = 25 ¼С) во взрывоопасной зоне.

Решение

Здесь представлен часто встречающийся в процессах химтехнологии случай передачи сигнала измерительной информации из взрывоопасной зоны в нормальную среду на пульт управления, осуществляемый в соответствии со схемой на рис. 5.4, в.

Для отбора и передачи информации из опасной зоны используем пневматический преобразователь перепада давления с пневматическим выходным сигналом 13ДД11 модели 720 со значением предельного перепада давлений 0,063 МПа, пределом допустимого избыточного давления 16 МПа, классом точности 1,0 и материалом чувствительного элемента из стали 36НХТ10, нейтральным, допустим, к контролируемой среде (см. рис. 5.4, в, поз. 3-1).

Поскольку пункт управления находится от объекта на расстоянии более 300 м (300 м – предельная дальность передачи пневмосигнала), то необходима установка пневмоэлектрического преобразователя (см. рис. 5.4, в, поз. 3-2), преобразующего этот сигнал в эквивалентный электрический сигнал, который и передается через систему

59

дистанционной передачи на аппаратуру электроавтоматики, расположенной на пульте управления (контроля) в неопасной зоне.

Полученный сигнал может подаваться на устройство, которое обеспечивает необходимость функции. В данном случае сигнал используется только для отображения измерительной информации (показание и запись) на вторичном приборе (см. рис. 5.4. в, поз. 3-3) ДИСК-250 со шкалой 0–5 мА.

5.3.Измерение количества и расхода вещества

Впроцессах химтехнологии наиболее часто применяются расходомеры переменного и постоянного перепада давления, переменного уровня и электромагнитные. В большинстве случаев, расходомеры представляют собой отдельно изготовленные технические средства, работающие в комплекте.

Примером может служить широко известный расходомер переменного перепада давления, состоящий из сужающего устройства, дифманометра и измерительного прибора. В расходомерах этого типа

вкачестве первичных измерительных преобразователей используются сужающие устройства (диафрагмы, сопла и трубы различных ви-

дов), изготавливаемые из материалов	(сталь, эбонит,	винипласт
и пр.), способных работать в контакте с измеряемой средой.
Ротаметры градуируют по воде	для измерения	жидкости

и на воздухе для газов. Если необходимо измерить расход других сред, то показания умножают на коэффициент

ρгр (ρ1 ρ) k ρ (ρn ρ2) ,

где ρгр, ρ – градуировочная и действительная плотность среды; ρп – плотность материала поплавка.

Для газов: при ρ << ρп k ρгр ρ .

Задача 1

Выбрать средство получения информации о расходе газообразного изобутана (Fmax = 2,1 м3/ч) в трубопроводе с внутренним диаметром 10 мм. Контроль местный.