КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Контрольно-измерительные приборы могут быть установлены по месту (на трубопроводах, у оборудования и т.п.) и на щитах контроля и управления, которые обычно выносятся на расстояние от работающего оборудования. Основная масса приборов выносится на щиты и называется вторичными измерительными приборами. Первичными приборами являются датчики для измерения параметров с преобразователями различного типа для передачи показаний на расстояние (к вторичным измерительным приборам). Измеряемыми параметрами являются давление, расходы, уровни, температуры, концентрации компонентов в различных средах и т.п.

Датчики обычно имеют в своем составе чувствительный элемент и один или несколько преобразователей. Чувствительные элементы отличаются в зависимости от измеряемого параметра. Преобразователи переводят сигналы от чувствительного элемента в вид энергии (обычно электрической), удобной для передачи показаний.

Структурная схема датчика на примере измерения давления с одним преобразователем может быть представлена в следующем виде.

Р – давление; h – перемещение; U – напряжение (электрический сигнал) в вольтах.

В настоящее время выпускаются датчики с унифицированными нормированными выходными сигналами. В качестве унифицированных сигналов обычно используются токовые сигналы (0-5 mа; 4-20 mа) или по напряжению (0-10 в). Тогда в структурной схеме датчика появляется еще один преобразователь, который называют нормирующим.

НП – нормирующий преобразователь.

При использовании цифровых измерительных приборов необходимо унифицированные аналоговые сигналы переводить в цифровые. Тогда появляется еще один преобразователь – аналого-цифровой (АЦП).

Нормирующие преобразователи, АЦП могут быть отдельными устройствами, могут быть встроены во вторичные измерительные приборы.

Измерение давления. В качестве чувствительного элемента используются одновитковые и многовитковые трубчатые пружины, мембраны, сильфоны. Чаще всего используются одновитковые трубчатые пружины. Для преобразования сигналов перемещения h в электрический вид используются реостатные, индукционные, ферродинамические, тензометрические преобразователи и т.п.

Пример построения датчика давления с сильфоном в качестве чувствительного элемента

1 – сильфон (чувствительный элемент); 2 – рычаг преобразователя; 3 – реостатный преобразователь (2 и 3 – преобразователь).

DР – диапазон изменения давления; Dh - диапазон перемещений сильфона; DU – диапазон изменений выходного электрического сигнала.

Аналогично строятся датчики для измерения напоров и разряжений.

Измерение расходов. Существуют различные способы измерения расходов жидкостей: по перепаду давления на диафрагме, вихревые расходомеры, ультразвуковые, электродинамические и т.п.

До сих пор наиболее распространенным и надежным способом является измерение расходов газов и жидкостей с помощью диафрагм, установленных в трубопроводы. Расчет массовых расходов достаточно точно производится по формулам

, (2.1)

где DР_д – перепад давления на диафрагме; r - плотность среды; К, К¢ - константы.

Вторая формула в (2.1) позволяет рассчитывать расходы только по перепаду давления DР_д, если давление и температура среды равны тем значениям, которые были заданы при расчете диафрагмы. Если давление и температура среды будут отличаться от расчетных значений, то необходимо вводить поправку на изменение плотности среды (первая формула). В настоящее время появилась возможность точного измерения расхода при переменных давлениях и температурах сред по первой формуле при цифровых измерениях. В формулу вводится выражение для расчета плотности (газа, пара, жидкости).

Датчиками для измерения перепада давления служат дифференциальные манометры, «Сапфир 22-ДД», «Сапфир 22-ДР», «Метран» и др.

Измерение уровня. Для измерения уровня жидкостей обычно создается перепад давления, создаваемый разностью столбов жидкостей в импульсных линиях. Один уровень делается постоянным, а другой переменным (уровень воды в барабане парового котла, в деаэраторах, в баках). Перепад давления измеряется датчиками, перечисленными выше.

Измерение температур. Для измерения температур с передачей показаний на расстояние чаще всего используются термопары и термометры сопротивления.

Термопары. Основная идея измерения состоит в использовании эффекта Зеебека. Если одни концы двух разнородных материалов (проводов) сварить и опустить в горячую среду с температурой t_г, то на других концах проводов, находящихся при температуре окружающей среды t_x, появится термоэдс Е, пропорциональная разности температур t_г и t_х.

, (2.2)

где k – коэффициент пропорциональности.

В теплоэнергетике используются чаще всего три типа термопар:

1. Термопара «хромель-алюмель» (ТХА). Диапазон длительного измерения температур 0-800 °С.

2. Термопара «Хромель-копель» (ТХК). Диапазон длительного измерения температур 0-600 °С.

3. Термопара «платинородий-платина» (ТПП). Диапазон измерения температур 0-1400 °С.

Вторичными приборами служат милливольтметры и автоматические потенциометры.

Термометры сопротивления. Для измерения температур используется зависимость изменения электрического сопротивления проводника от температуры, типа

, (2.3)

где R₀ – сопротивление проводника при постоянной температуре (например, 0 °С); a - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления материала проводника при изменении температуры на 1 °С; t – температура среды, °С.

В теплоэнергетике нашли применение два типа термометров сопротивления:

1) Термометр сопротивления медный (ТСМ), который используется в диапазоне изменения температур 0-180 °С.

2) Термометр сопротивления платиновый (ТСП), в диапазоне изменения температур -500 °С.

Вторичными приборами служат логометры и автоматические мосты.

Измерение концентраций. Датчиками для измерения концентраций служат специально создаваемые устройства, которые используются только для того физико-химического процесса, который заложен в метод измерения. Какого-либо единого способа измерения концентраций нет.

В котельной технике необходимо обычно измерять концентрацию солей в котловой воде и концентрацию кислорода в дымовых газах.

Работа датчика концентрации солей в котловой воде (солесодержание котловой воды) основана на изменении электропроводимости воды в зависимости от содержания солей.

Для измерения концентрации свободного кислорода в дымовых газах в настоящее время используется электрохимический датчик (ЭХД). Принцип его работы состоит в том, что при разных концентрациях измеряемой среды на поверхностях стенки датчика, находящегося при температуре ~900 °С, возникает разность потенциалов, которая пропорциональна разности концентраций.

mv. (2.4)

Величина Е достаточно большая и может быть использована для измерения и регулирования.

Контрольно-измерительные приборы выпускаются с разными функциями, которые они выполняют:

1) показывающие (имеют шкалу и стрелку);

2) регистрирующие (дополнительно записывают на диаграмму);

3) интегрирующие (имеют счетчик количества протекающей среды);

4) сигнализирующие (используются в схемах защит и сигнализации);

5) регулирующие (используются для целей управления и регулирования).

Точность измерения параметров приборами определяется классом точности, который представляет из себя отношение абсолютной погрешности (А) к полной шкале прибора (в процентах).

(2.5)

Класс точности технических приборов обычно составляет: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2. По классу точности определяют абсолютную погрешность прибора (А) и рассчитывают относительную погрешность измерений в процентах, относя абсолютную погрешность к уровню измеряемой величины (U).

(2.6)

Пример: Измеряется температура среды в пределах 0-500 °С. Полная шкала прибора 500 °С. Пусть класс точности К_л=1 %. Тогда абсолютная погрешность (А) равна .

Проводим измерения на уровнях температур: U₁=400 °С; U₂=300 °С; U₃=200 °С; U₄=100 °С.

Относительные погрешности измерений будут:

.

Измерения на уровне U₄=100 °С имеют уже большую погрешность.

Из приведенного примера следует, что измерения уровней в пределах ~1/3 от шкалы прибора будут приводить к большими погрешностям. Необходимо для измерений использовать прибор с меньшей полной шкалой или с другим классом точности.