Текст
                    Харазов В. Г

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Распределенные системы
управления(РСУ)
Техническое обеспечение РСУ
Программное обеспечение РСУ
Промышленные сети

С .° с
О
системы управления

180-летию Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) посвящается В. Г. Харазов Интегрированные системы управления технологическими процессами Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведе- ний, обучающихся по специальности 220201 «Управление и информатика в техниче- ских системах» Саню Петербург 2009
УДК 681.5 ББК: 32.965 Х20 Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. Текст публикуется в авторской редакции. Рецензенты: Зав. кафедрой информационно-измерительных технологий и систем управления Санкт- Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров, профессор, д.т.н. Кондрашкова Г.А. Профессор кафедры автоматики и процессов управления Санкт-Петербургского государ- ственного электротехнического университета «ЛЭТИ», д.т.н. Душин С.Е. Х20 Харазов В.Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами — СПб.: Профессия, 2009. — 592 с. ил., табл., сх. ISBN 978-5-93913-176-6 Во втором издании учебного-справочного пособия добавлены новые сведения и учтены пожелания специалистов по автоматизации и преподавателей. В книге подробно рассмотрены интеллектуальные приборы контроля техноло- гических параметров. Также описан широкий спектр программируемых логических контроллеров, приводится описание инструментальных систем программирования контроллеров. Даны сведения о новых SCADA-системах, современных базах данных и СУБД, в том числе модели баз данных, архитектура доступа к данным, серверы баз дан- ных и пр. В обновленном разделе, посвященном сетевому оборудованию, приводятся харак- теристики промышленных сетей, в том числе Industrial Ethernet, топология и методы до- ступа, описание активного оборудования. В завершающем разделе книги представлены системы верхнего уровня: ERP- и MES-системы, информационные системы и системы проектирования. Издание предназначено для сотрудников отделов автоматизации, инженеров, спе- циалистов предприятий, занимающихся разработкой и внедрением АСУТП, сотрудни- ков проектных организаций и НИИ, а также для студентов, обучающихся по специаль- ностям 210100 «Управление и информатика в технических системах» и 210200 «Автома- тизация технологических процессов и производств». УДК 681.5 ББК: 32.965 ISBN 978-5-93913-176-6 © Харазов В. Е, 2009 © Издательство «Профессия», 2009
Оглавление Введение..............................................................4 Раздел I Техническое обеспечение распределенных систем управления Глава 1. Приборы контроля и управления технологическими процессами....9 Глава 2. Программируемые логические контроллеры (ПЛК).................168 Глава 3. Оборудование и компоненты распределенных систем управления.269 Раздел II Программное обеспечение распределенных АСУ ТП Глава 4. Программное обеспечение ПЛ К.................................352 Глава 5. Программное обеспечение рабочих станций......................380 Раздел III Промышленные сети распределенных систем управления Глава 6. Промышленные сети: архитектура, оборудование, характеристики.418 Раздел IV Распределенные системы управления (РСУ) Глава 7. Алгоритмическое обеспечение РСУ..............................461 Глава 8. Распределенные системы управления (РСУ)....................481 Раздел V Интегрированные системы управления Глава 9. Принципы и основы интеграции систем управления.............535 Глава 10. ERP- и MES-системы верхнего уровня РСУ....................538 Литература..........................................................554 Глоссарий...........................................................570 Приложение. Схемы подключения ПЛК...................................581
ВВЕДЕНИЕ В начале XXI века в промышленной автоматизации сформировалась устойчивая тенденция перехода от автономных распределенных систем управления к интегрирован- ным1 системам управления промышленным производством в целом в масштабах пред- приятия, холдинга или объединения. Современные аппаратно-программные средства предоставляют возможность объединения в единую структуру всех уровней иерархии системы управления предприятием любого профиля. Крупные зарубежные и отечественные компании стремятся представить на рынок промышленной автоматизации всю необходимую линейку средств автоматизации — от первичных преобразователей, станций ввода/вывода, контроллеров, рабочих станций и серверов до промышленных сетей и программного обеспечения для построения интегри- рованной системы управления. Жесткая конкуренция ведущих фирм-производителей интеллектуальных средств и систем на рынке промышленной автоматизации направле- на на выпуск широкой номенклатуры приборов и средств измерения, отличительными чертами которых являются повышенная надежность в жестких условиях эксплуатации, высокая точность измерения и преобразования данных, упрощенные приемы обслужи- вания как со стороны аппаратной части, так и со стороны программирования. Под интегрированной системой управления будем понимать такую систему, в кото- рой объединены вычислительные, сетевые, аппаратные и иные ресурсы, необходимые для достижения многокритериальной цели управления предприятием. Интегрированная система управления, таким образом, объединяет все уровни иерархии системы управ- ления — нижний (полевой) уровень, контроллерный, диспетчерский и бизнес-уровень. Для этого используются соответствующие протоколы, интерфейсы, физические кана- лы обмена данными, серверы, преобразователи, программное обеспечение и пр., соот- ветствующие международным стандартам. Соответствие международным стандартам компонентов систем автоматизации делает их открытыми для программно-аппаратных средств различных производителей средств автоматизации. Открытость систем контроля и управления для средств автоматизации различных производителей, придерживающихся этих стандартов, стало ответом на компромисс между программно-аппаратными средствами различных фирм-производителей. Стан- дартизация охватывает не только системы программирования, протоколы, интерфей- сы, локальные сети, но и конструктивы, способы защиты аппаратуры, условия экс- плуатации и т. п. Открытость технического и программного обеспечения систем автоматизации яв- ляется одной из важных тенденций современной автоматизации. К примерам интегри- 1 Интеграция (integration) — это процесс объединения в одно целое, а под термином integrity подразумева- ется целостность, полнота, структурная завершенность.
ВВЕДЕНИЕ 5 рованных пакетов для автоматизации производства в масштабах предприятия мож- но отнести пакеты PCS7 фирмы Siemens, Proficy Historian компании GE Fanuc, Factory Suite ArchestrA корпорации Invensys и др. Ряд тенденций связан с дальнейшим развитием микроэлектроники,- микропро- цессоров и микропроцессорных устройств на их основе, что сопровождается наряду с расширением их технических характеристик, снижением цен, увеличением тиража и применимости этих устройств. Среди промышленных компьютеров наблюдается рост сверхкомпактных без- вентиляторных компьютеров со встроенными операционными системами реального времени (ОСРВ) Windows Embedded и Windows СЕ. Среди программируемых логических контроллеров (ПЛК) помимо моноблочных (компактных) и модульных ПЛК все ведущие фирмы расширяют объем выпуска PC- based (PC-совместимых) контроллеров с MS Windows совместимой операционной системой. PC-based контроллеры, обладая достоинствами обычных ПЛК, исполь- зуют мощное программное обеспечение, стандартные языки программирования высокого уровня и способны реализовать сложные алгоритмы управления. Кроме этого, наблюдается расширение выпуска различных модификаций контроллеров для расширенного применения, а с учетом их использования для определенного класса процессов контроллеры характеризуются объектно-ориентированной компоновкой (проектно-компонуемые контроллеры). В области сетевых технологий безусловной тенденцией развития является широ- кое применение в проводных сетях протокола и сетей Ethernet и Industrial Ethernet, в том числе применение гигабитных Ethernet-сетей передачи данных — Ethernet 100 Гбит/с (100 GE) с дальностью передачи до 10 км для одномодового волокна. В области активного сетевого оборудования наблюдается развитие магистральных промышлен- ных коммутаторов, обеспечивающих работу интегрированных сетей управления про- изводством с поддержкой сетей Ethernet 10 Гбит/с (10 GE). Развитие сетей Ethernet по- буждает разработку программно-аппаратных средств перехода от последовательных интерфейсов к сетям Ethernet. С другой стороны, заметной тенденцией, направленной на уменьшение числа проводников на печатной плате, является переход с параллель- ной на последовательную передачу данных в технологии Gigabit Ethernet. Другой тенденцией развития сетевых технологий является быстрое развитие беспроводных сетей передачи данных с использованием протоколов GSM, GPRS, Bluetooth и др. Развитие беспроводных технологий привело к созданию беспровод- ных измерительных приборов. В качестве примера приведем беспроводный датчик температуры Rosemount 648, беспроводный датчик давления Rosemount 305IS, кото- рые питаются от модуля питания в искробезопасном исполнении. Сбор информации от беспроводных измерительных приборов осуществляет беспроводный шлюз 1420. Система беспроводных приборов может устанавливаться во взрывоопасных зонах технологического процесса. В ближайшие годы среди баз данных преимущественное применение найдут реля- ционные базы данных и клиент-серверная архитектура доступа к данным. Среди сер- веров баз данных реального времени (БДРВ) находят применение blade-серверы, обе- спечивающие обработку больших массивов информации от различных источников. Среди программного обеспечения диспетчерских рабочих станций (SCADA- систем) наблюдается снижение числа новых SCADA-систем, расширение функций из- вестных SCADA-систем и их унификация. Безусловным лидером среди SCADA-систем
б ВВЕДЕНИЕ является фирма Wonderware концерна Invensys (в 2006 г. выпущена версия InTouch 10.0). Общее число внедрений на объектах этого ПО составило более 450 тысяч. Программное обеспечение контроллеров, как правило, включает ОРС-сервер, Web-сервер, программы ПИД-регуляторов с автонастройкой параметров регулятора, а также программы регуляторов с прогнозирующей моделью, адаптивных и нейроре- гуляторов. Среди систем программирования контроллеров лидируют интегрированные си- стемы программирования на языках по стандарту IEC 61131-3 — пакеты ISaGRAF, CoDeSys, Unity Pro и др. К тенденциям развития распределенных систем управления можно отнести системный подход к построению системы с учетом стандартизации и унификации оборудования и программного обеспечения, единого подхода к многоуровневой структуре систем управления. Для ряда систем характерно появление в их составе программно-аппаратных средств удаленной технической диагностики и удаленного технического обслуживания, применение станций управления и визуализации, вы- полненных в едином конструктиве, четырехкратное резервирование процессорных модулей станций управления, широкое использование распределенЗЗно-модульных систем, станций удаленного ввода/вывода и др. В целом, все это направлено на улуч- шение качества управления — повышение точности, быстродействия, технической и экономической эффективности систем управления. В книге сделана попытка рассмотреть структуру системы управления техноло- гическим процессом как интегрированную систему управления технологическим процессом, начиная от формирования заказа, закупки комплектующих, непосред- ственного производства по технологическому регламенту и вплоть до сбыта гото- вой продукции. Такой подход к настоящему времени практикуется в большинстве стран-производителей. При этом анализу и синтезу таких систем предшествует фор- мирование многоцелевой задачи и критериев управления, подробный экономиче- ский анализ эффективности процесса, грамотный выбор аппаратно-программных средств для всего комплекса интегрированной системы и т. п. Таким образом, проектирование или модернизация современных распределенных систем правления (РСУ) должны выполняться с учетом максимального удовлетворе- ния требований на разработку системы управления, в том числе функциональных, тех- нических, экологических, требований надежности, безопасности и др.; использования программно-аппаратных средств, отвечающих всем международным стандартам, га- рантирующим соблюдение принципа открытости систем; экономической эффективно- сти системы управления с учетом всего жизненного цикла системы и др. требования, определяемые спецификой и характером технологического процесса. Материал книги включает пять разделов, каждый из которых отражает совре- менное состояние средств автоматизации в рамках интегрированной системы управ- ления технологическим процессом. Раздел 1 «Техническое обеспечение распределенных систем управления» содер- жит главы, посвященные описанию в основном интеллектуальных приборов для из- мерения технологических параметров, программируемых логических контроллеров, оборудования и компонентов распределенных систем управления. Глава 1 «Приборы контроля и управления технологическими процессами» содер- жит сведения о приборах измерения температуры, расхода, давления, уровня, анали- заторах газа и жидкости, весоизмерительной технике, бесконтактных выключателях
ВВЕДЕНИЕ 7 (сенсорах), показывающих и регистрирующих приборах, функциональных устрой- ствах, исполнительных механизмах, приборах учета энергоносителей. Глава 2 «Программируемые логические контроллеры (ПЛК)» посвящена описа- нию современных ПЛК (компактных, модульных, PC-совместимых) основных за- рубежных и отечественных производителей ПЛК, описанию встраиваемых систем и компонентов ПЛК. Глава 3 «Оборудование и компоненты распределенных систем управления» вклю- чает щитовое оборудование, промышленные компьютеры (рабочие станции), панели оператора, источники бесперебойного питания, локальные микропроцессорные ре- гуляторы, основы проектирования РСУ. Раздел 2 «Программное обеспечение распределенных систем управления» вклю- чает главы, посвященные программному обеспечению ПЛК и рабочих станций. Глава 4 «Программное обеспечение ПЛК» описывает языки программирования по стандарту IEC 61131-3, а также примеры программирования на этих языках. От- дельный раздел посвящен инструментальным системам программирования ISaGRAF, CoDeSys, Unity Pro, STEP7 и др. Глава 5 «Программное обеспечение рабочих станций» включает описание совре- менных SCADA-систем, ОРС-стандарта взаимодействия SCADA-систем и ПЛК, баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). Раздел 3 «Промышленные сети распределенных систем управления» содержит сведения о промышленных сетях всех уровней иерархии систем управления, актив- ном оборудовании промышленных сетей. Отдельный раздел посвящен беспровод- ным сетям управления по стандартам GSM, GPRS, Bluetooth и др. Раздел 4 « Распределенные системы управления (РСУ)» включает главы, посвя- щенные алгоритмическому обеспечению систем управления и описанию современ- ных систем управления. Глава 7 «Алгоритмическое обеспечение РСУ» содержит описание видов обеспе- чений, алгоритмов управления адаптивных, робастных, ситуационных, нечетких и нейро-нечетких систем управления, а также описание искусственных нейронных сетей. Глава 8 «Современные РСУ» посвящена рассмотрению структуры, состава и ком- понентов зарубежных и отечественных распределенных систем управления компа- ний Honeywell, Valmet Automation, Metso Automation, Foxboro, Yokogawa, ABB, Fisher Rosemount Systems, АО «Импульс», ГК «Текон» и др. Раздел 5 «Интегрированные системы управления» содержит главы, в которых рассматриваются вопросы интеграции систем управления, ERP- и MES-системы. Глава 9 «Принципы и основы интеграции систем управления» содержит сведения об интегрированных системах управления предприятием и принципах интеграции систем управления технологическим процессом. Также в этой главе рассматривается иерархия современных систем управления. Глава 10 «ERP- и MES-системы интегрированной системы управления» посвяще- на рассмотрению систем планирования ресурсов предприятия (ERP-систем) и систем управления производством (MES-систем). В Приложениях приведен список сокращений, глоссарий терминов, используе- мых в книге, стандарты интерфейсов, конструктивов и степеней защиты оборудова- ния. Библиографический указатель содержит 356 источников.
8 ВВЕДЕНИЕ Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 210100 — «Управление и информатика в технических системах», 220301 — «Авто- матизация технологических процессов и производств», 230101 — «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 230102 — «Автоматизированные системы об- работки информации и управления», а также может быть полезна студентам специ- альностей 230104, 240301, 240401, 240501, аспирантам, специалистам цехов КИПиА, отделов АСУ ТП и инженерам по автоматизации технологических процессов. Автор считает своим долгом поблагодарить заведующего кафедрой информаци- онно-измерительных технологий и систем управления Санкт-Петербургского госу- дарственного технологического университета растительных полимеров профессора, докт. техн, наук Кондрашкову Г. А. и профессора кафедры автоматики и процессов управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического универ- ситета «ЛЭТИ», докт. техн, наук Душина С. Е. за ценные замечания и предложения по содержанию учебного пособия.
_________________________РАЗДЕЛ I_____________________________________ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВА 1. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 1.1. Приборы для измерения температуры Температура является одним из важнейших параметров большинства технологиче- ских процессов. Необходимость точного измерения температуры в широком диапазоне определила разработку и применение различных методов и средств измерения темпера- туры. Для суждения о температуре любого тела (газообразного, жидкого, твердого или плазмы) используют зависимость температуры от изменения какого-либо физического свойства вещества, — объемного расширения жидкости или газа, электрического со- противления, эффекта возникновения фототока или электрического потенциала и др. Вопросам измерения температуры в различных областях науки и техники посвящено много работ, среди которых выделим работы [1.1,1.3,1.5-1.8,1.13,1.14,1.15]*. В данном учебно-справочном пособии в основном рассмотрены лишь те методы и средства измерения температур, которые имеют унифицированный выходной сиг- нал или могут быть отнесены к интеллектуальным средствам измерения, снабженных микропроцессорным устройством для обработки и преобразования аналогового вы- ходного сигнала датчика в цифровой. Такие первичные преобразователи, получившие в последние годы широкое распространение, могут быть легко интегрированы в систему управления процессом. В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры принято подразделять на следующие группы: • термометры расширения; • манометрические термометры; • термоэлектрические термометры (термопары); 1 Тепловое расширение воздуха от температуры впервые было использовано в 1597 г. Галилеем. Высота столба жидкости в стеклянной трубке, верхний конец которой оканчивался стеклянным шаром, а открытый нижний конец был погружен в сосуд с водой, изменялась в зависимости от температуры. В 1655 г. Гюйгенс предложил в качестве опорных точек шкалы термометра использовать точку таяния льда (0°) и кипения воды (100°). В 1742 г. Цельсием предложена температурная шкала, в которой расстояние между точками таяния льда и кипения воды разделено на 100 равных частей. В 1714 г. Фаренгейт изготовил ртутный стеклянный термометр. Первый манометрический газовый термометр появился в 1879 г., жидкостный — в 1882 г. Открытый в 1821 г. Зеебеком эффект термоэлектричества был использован в 1887 г. для изготовления первых термоэлектрических термометров (термопар). В 1871 г. Сименсом найдена зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры, приведшая в 1886 г. к созданию первого платинового термометра сопротивления. Первые пи- рометры излучения появились в 1892 г. В 1852 г. Кельвиным предложена термодинамическая температурная шкала, а в 1968 г. принята Международная практическая температурная шкала МПТШ-68. В области положи- тельных температур приняты опорные точки шкалы: кипения воды (100 °C), затвердевания цинка (419,58 °C), затвердевания серебра (961,93 °C) и затвердевания золота (964,43 °C).
10 ГЛАВА 1 • термометры сопротивления; • пирометры излучения. ") Первые четыре группы приборов основаны на контактных методах измерения, когда чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с измеряе- мой средой. Пирометры излучения основаны на неконтактных методах измерения, когда пирометр отнесен от измеряемого объекта на некоторое расстояние и не ока- зывает влияния на температурное поле объекта измерения^ 1.1.1 Контактные датчики (термопары и термометры сопротивления с унифицированным выходным сигналом) Термометры расширения используют эффект теплового расширения специаль- ной термометрической жидкости — ртуть, спирт или органические жидкости в сме- си с красящим веществом. В зависимости от свойств стекол диапазон измерений термометров расширения в основном составляет от -90 до +600 °C, однако, в отдельных случаях нижний пре- дел может быть от -200 °C, а верхний до +800 °C. На принципе различия коэффициентов линейного расширения твердых тел основаны дилатометрические и биметаллические термометры. Диапазон их измере- ния составляет от -150 до +700 °C. Для общепромышленного применения выпуска- ются стеклянные термометры с сигнализирующим контактным устройством. Манометрические термометры основаны на использовании зависимости дав- ления жидкости (ртуть, спирт и др.), газа (азот) или парожидкостной смеси, нахо- дящихся в замкнутом объеме, от температуры. Конструктивно манометрический термометр состоит из термобаллона, находящегося в измеряемой среде, гибкой капиллярной трубки и манометра. При изменении температуры среды изменяется давление внутри замкнутого объема термосистемы, что приводит к перемещению свободного конца манометрической трубчатой пружины и показывающей стрелки или пера самопишущего устройства. Выпускаются манометрические термометры по- казывающие, самопишущие, электроконтактные, с выходным пневматическим сиг- налом, а также с унифицированным токовым сигналом. Диапазон измерения жид- костных манометрических термометров составляет от -50 до +500 °C (в отдельных случаях до +600 °C), газовых от -200 до +700 °C. К достоинствам манометрических термометров следует отнести простоту конструкции и эксплуатации, взрыво- и по- жаробезопасность. К недостаткам— невысокую точность (1...2%), инерционность (особенно у жидкостных манометрических термометров) и необходимость контроля герметичности термосистемы. В табл. 1.1 приведены технические характеристики манометрических термоме- тров фирмы WIKA (Германия). Таблица 1.1. Характеристики манометрических термометров фирмы WIKA Мо- дель Тип Диаметр шкалы, мм Класс точности Диапазон из- мерений, °C Давление среды, МПа Материал термобаллона Исполнение Дополнительные устройства 71 Газовый 100,160 1 От-30...+50 до 0...+200 2.5 Сталь Со съемной защитной насадкой Электро- контактное устройство 73 Газовый 100,160 1 От-200...+50 до 0...+700 2.5 Хромо- никелевая сталь С наклоном и поворотом корпуса Электро- контактное устройство
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 11 Термоэлектрические термометры (термопары). Измерение температуры с помо- щью термопары основано на эффекте немецкого физика Т. Зеебека, открытом в 1821 г., согласно которому в цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, места соединений которых находятся при разных температурах t и 10, возникает электриче- ский ток.[Проводники, образующие термопару, называют термоэлектродами, место их соединения, помещенное в среду с измеряемой температурой 1, рабочим (горячим) спа- ем, а спай с постоянной и известной температурой t0 — свободным (холодным) cnaexcj |Термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) термопары, спаи которой находятся при температурах t и t0, равна: ЕАВ (t, t0) = eAB(f) - е АВ (t0) и может быть рассчитана на основе эффектов Пельтье и Томпсона. Поддерживая температуру свободного спая постоянной, т. е. t0 = const, получим: ЕАВ (t, t0) = еАВ (t) - const. Таким образом, ЕАВ (t, t0) =/(t). При экспериментально найденной зависимости термоЭДС термопары от температуры, измерение неизвестной температуры сводится к измерению термо- ЭДС. Зависимость термоЭДС термопары от температуры при постоянно заданной температуре свободного конца термопары называется номинальной статической ха- рактеристикой (НСХ), которая определяется ГОСТом. Государственный стандарт РФ (ГОСТ Р8.585-2001) определяет типы термопар (при температуре свободных концов 0 °C), приведенных в табл. 1.2 [1.17,1.18].Д Таблица 1.2. Характеристики термопар по ГОСТ Р8.585-2001 Тип Обозначение термопреобразователя НСХ Материал термоэлектродов Диапазон измерения, °C ТермоЭДС, мВ Положительный Отрицательный R ТПП Pt+13%Rh/Pt пп ПР-13(87%Р1+ 13% Rh) ПлТ (Pt) -50... 1768 -0,226... 21,101 S ТПП Pt+10%Rh / Pt пп ПР-10 (90% Pt+ 10% Rh) ПлТ (Pt) -50... 1768 -0,236... 18,693 В ТПР Pt+30%Rh / Pt+6%Rh ПР ПР-30 (70% Pt+ 30% Rh) ПР-6 (94 % Pt+ 6%Rh) 0...1820 0... 13,820 J ТЖК [Fe/Cu+Ni] (железо/константан) жк Fe 55%Cu+ 45%Ni,Mn, Fe -210...1200 -8,095... 69,553 т тмк [Cu/Cu+Ni] (медь/константан) мк Ml (Cu) 55%Cu+ 45% Ni,Mn, Fe -270...400 -6,258... 20,872 Е ТХКн [Ni+Сг/ Cu+Ni] (хромель/константан) хк THX 9,5(90,5% Ni+ 9,5% Cr) 55%Cu+ 45% Ni,Mn, Fe -270...1000 -9,835... 76,373 К ТХА [Ni+Cr/Ni+Al] (хромель/алюмель) ХА THX 9,5 (90,5% Ni+ 9,5% Cr) НМцАК2-2-1 94,5% Ni+ 5,5% Al,Si,Mn -270...1372 -6,458... 54,886 N тип [Ni+Cr+Si/Ni+Si] (нихросил/нисил) НН 84,2% Ni+ 14,2%Cr+l,5%Si 95%Ni+4,5%Si -270...1300 -4,345... 47,513 L тхк [Ni+Cr/Cu+Ni] (хромель/копель) хк THX 9,5 (90,5% Ni+ 9,5% Cr) МНМЦ 43-05 56%Cu+ 44% Ni -200...800 -9,488... 66,466 М тмк [Cu/Cu+Ni] (медь/копель) мк Ml (Cu) МНМЦ 43-05 56%Cu+ 44% Ni -200...100 -6,154... 4,722 А (А-1, А-2, А-3) ТВР [W+Re/W+Re] ВР BP-5 95%W+5%Re BP-20 80% W+ 20% Re А-1: 0...2500 А-2:0...1800 А-3:0...1800 0... 33,015 0... 27,232 0... 26,773 Конструкция термопары включает термоэлектроды, изоляционные бусы и за- щитную арматуру, в том числе защитный чехол. Диаметр термоэлектродов из благо- родных металлов находится в пределах от 0,07 до 0,5 мм, из неблагородных метал-
Т2 ГЛАВА 1 лов — от 0,1 до 3,2 мм. Длина монтажной, погружаемой и наружной частей термо- пары выбирается из ряда 10,16,20,25,32,40,50,60,80,100,120,160,200,250, 320,400, 500, 630, 800,1000,1250,1600, 2000, 2500 и 3150 мм. [ В зависимости от материала термоэлектродов термопары классифицируют по следующим группам: • термопары из благородных металлов; • термопары из неблагородных металлов; • термопары из тугоплавких металлов; • металлокерамические термопары. Помимо термопар, указанных в табл. 1.2, в научно-исследовательской практике известны термопары, материал термоэлектродов которых включает иридий, руте- ний, молибден, тантал, ниобий и др. металлы. Также известны вольфрам-рениевые термопары группы С (W5%Re) и группы D (W3%Re) на диапазон температур 0...2300 °C. 1 Гругига металлокерамических термопар была разработана для измерения высоких температур в углеродсодержащей, восстановительной, нейтральной среде и вакууме. К ним относятся термопары с термоэлектродами из силицидов молибдена и вольфрама (MoSi2 / WSi2), графит/борид циркония (C/ZrB2) и графит/карбид титана (C/TiC). Под- робные данные о термопарах этой группы приведены в работе [1.6, 1.10]. В последние годы находят применение термоэлектрические преобразователи из термопарного кабеля (кабельные термопары). Такая термопара представляет собой гибкую металлическую трубку с наружным диаметром от 1 до 6 мм с размещенными внутри нее одной или двумя парами термоэлектродов диаметром от 0,2 до 1,08 мм. Пространство между термоэлектродами заполнено мелкодисперсной изоляционной массой [1.15]. К таким термопарам относятся КТМС-ХА и КТМС-ХК. К достоин- ствам кабельных термопар относятся: более высокая стабильность показаний, воз- можность изгибов и монтажа в труднодоступных местах, малая инерционность, ра- бота в условиях больших рабочих давлений. \ [ Поскольку градуировочные таблицы термопар составлены с учетом температу- ры свободных концов термопары, равной 0°С, которая должна быть постоянной в течение всего цикла измерения, используют компенсационные провода, назначение которых — отнести от рабочей зоны с высокой и меняющейся температурой свобод- ные концы термопары. Компенсационные провода соответствуют ГОСТ 1790-77 и ГОСТ 10821-75. ] Для термопар из неблагородных металлов в основном используются компенса- ционные провода из аналогичных сплавов, а для термопар из благородных металлов используют специальные сплавы, в основном медно-никелевые. При температурах до 100 °C эти сплавы должны давать такую же термоЭДС, как и соответствующая тер- мопара, а каждый из удлинительных (компенсационных) проводов не образовывал термоЭДС со своим термоэлектродом^ Температура окружающей среды" в местах присоединения к термопаре для раз- личных компенсационных проводов может колебаться от -40 до 100 °C и более в за- висимости от изоляции жилы и оболочки провода. Сечение компенсационных про- водов составляет величину 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм2. Технические характеристики компенсационных проводов приведены в табл. 1.3. Помимо марок ПТВ и ПТВО используются провода марок ПТВВ, ПТВВЭ, ПТВВТ, ПТВВГ ПТФФ и др., указанные в табл. 1.4.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 13 При более высоких температурах в местах соединения с термопарой используют- ся специальные высокотемпературные компенсационные провода (табл.1.5). Таблица 1.3. Характеристики компенсационных проводов Тип термопары Марка компенса- ционных проводов Сечение провода, ммI 2 Материал токопроводящих жил Изоляция жилы тмк птв-мк 1x0,75+1x1,0; 1х1,0+1х2,5 Медь-копель Поливиниловая тмк ПТВО-МК 1х1,0+1х2,5 Медь-копель Поливинилхлоридная тхк ПТВ-ХК 2x0,5; 2x1,0; 2x1,5; 2x2,5 Хромель-копель Поливиниловая тхк ПТВО-ХК 2x2,5 Хромель-копель Поливинилхлоридная ТХА ПТВ-ХА 2x0,5; 2x1,0; 2x1,5; 2x2,5 Хромель-алюмель Поливиниловая ТХА ПТВО-ХА 2x2,5 Хромель-алюмель Поливинилхлоридная ТХА ПТВ-М 1x0,75+1x1,0; 1x1,0+1x2,5; 2x2,5 Медь-константан Поливиниловая ТХА птво-м 1x1,0+1x2,5; 2x2,5 Медь-константан Поливинилхлоридная Таблица 1.4. Характеристики проводов ПТВВ, ПТВВЭ, ПТВВТ, ПТВВГ ПТФФ Марка провода Характеристика провода термоэлектродного Число жил Изоляция жилы Сечение провода, мм2 Рабочая темпера- тура,°C ПТВВ — 2 Поливинил- хлоридная 0,2; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 -40...+80 ПТВВЭ Экранированный 2 -40...+80 ПТВВТ Теплостойкий 2 -40...+105 ПТВВГ Гибкий 2 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 -40...+80 птввгэ Гибкий экраниров. 2 -40...+80 птввтг Теплостойкий гибкий 2 -40...+105 птвтг Гибкий 1 1,5 -40...+80 ПТФФ-120 Теплостойкий гибкий 2 Фторопласт 0,2; 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 -60...+120 ПТФФ-200 2 -60...+200 ПТФФЭ-120 Теплостойкий гибкий экранированный 2 -60...+120 ПТФФЭ-200 2 -60...+200 Таблица 1.5. Характеристики высокотемпературных компенсационных проводов Тип термопары Марка ком- пенсационных проводов Диапазон темпе- ратур, °C Сечение провода, мм2 (диаметр, мм) Материал изоляции жил Материал оболочки ТХА, ТХК, ТЖК ктм сэ 0...+400 2x0,5 (4) Стеклоткань Экран из нерж, стали ТХА, ТХК КТМФЭ -50...+220 2x0,5 (3,5) Фторопласт Фторопласт ТХА, ТХК КТСФЭ -50...+220 2x0,5 (3,5) Стеклоткань Фторопласт ТХА, ТЖК кмст -50...+180 2x0,2 (3,5) 2x0,5 (4,5) Стеклоткань Силиконовая резина ТПП,ТПР,ТВР ККМ ФЭ -50...+200 2x0,5 (3,5) Фторопласт Фторопласт I Цвет изоляции проводов: материал жилы медь — красный, константан — ко- ричневый, медно-никелевый сплав ТП (для термопар ТПП) — зеленый, хромель — фиолетовый или черный, алюмель — натуральный или белый, копель — желтый или оранжевый^] Для автоматической компенсации изменения температуры свободных концов термопары используют мостовые схемы с терморезистором в одном из плеч моста. При отклонении температуры свободных концов от градуировочного значения воз-
14 ГЛАВА 1 никает разность потенциалов, численно равная по величине и обратная по знаку из- менению термоЭДС термопары при изменении температуры свободных концов. Для получения нормированного выходного аналогового или цифрового сигнала, повышения точности и снижения габаритов применяются измерительные (нормирую- щие} преобразователи, встраиваемые в клеммную головку термопары. В качестве вы- ходных сигналов используются токовые (0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА) или 0...10 В, HART-протокол, Profibus и др. В измерительных преобразователях сигнал термопары усиливается входным каскадом усилителя и с помощью АЦП преобразуется в цифро- вой сигнал. Микропроцессор пересчитывает (ставит в соответствие) цифровой сигнал со значениями температуры в соответствии с градуировочной таблицей, осуществля- ет функции компенсации температуры свободных концов термопары, линеаризации, демпфирования, контроля обрыва цепи и др., и далее через ЦАП преобразует его в аналоговый выходной сигнал в диапазоне 0/4.. .20 мА или 0... 10 В. При этом источник питания преобразователя находится во внешней цепи (цепи нагрузки), j В табл. 1.6 приведены данные отечественных и зарубежных термопар с унифи- цированным выходным сигналом. Напряжение питания преобразователей 18...36 VDCA Питание преобразователей с маркировкой Ех осуществляется от барьеров ис- кробезопасности. Зависимость выходного сигнала термопребразователей от темпе- ратуры линейная.) Таблица 1.6. Характеристики термопар с унифицированным выходным сигналом Тип термопары НСХ Тип нормирующего преобразователя Выходной сигнал Диапазон измерения,°C Класс точно- сти Изготовитель ТХАУ Метран-271 К — 4...20 мА 0...600,0...800,0...900, 400...900,0...1000 0,5; 1,0 ГК «Метран», г. Челябинск ТХАУ Метран-271-Exia К — 4...20 мА 0...600,0...800 0,5; 1,0 Метран 281 К Электронный модуль HART -40...300, -40... 1000 0,2; 1,5 Метран 281-Exia К ТХКУ-205 L ПТ-205 4...20 мА 0...400,0...500,0...600 1,0; 1,5 НПП «Элемер», Московск. обл. ТХКУ-205 Exia L ПТ-205 4...20 мА 0...400,0...500,0...600 1,0; 1,5 ТХАУ-205 К ПТ-205 4...20 мА 0...600,0...900 0.5; 1,0 ТХАУ-205 Exia К ПТ-205 4...20 мА 0...600,0...900 0.5; 1,0 ИТ-1.2-Ех К НПТ-1-Ех 4...20 мА 0...200,0...400,0.. .600, 0...800 0,5 НПП «Автоматика», г. Владимир ИТ-ЕЗ-Ех L НПТ-1-Ех 4...20 мА 0...150,0...200,0...400, 0...600 0,5 ТС-201,-301,-401,-501 В, Е, I, К, L.N, R.S, Т Т20.10 4...20 мА Диапазон и тип термо- пары программируется по цепи 4.. .20 мА с помощью спец. ПО 0,5 WIKA, Германия Т12.10ЕХ 4...20 мА 0,25 Т32.10Ех 4...20 мА, HART 0,12 Т42.10 Profibus РА 0,08 В качестве вторичных приборов для термопар применяются электронные по- тенциометры и милливольтметры. Общий вид термопары ТХКУ (ТХАУ) ООО НПП «Элемер» приведен на рис. 1.1СДля снижения погрешностей измерения термопары выработаны рекомендации по их использованию: • В зоне измерения должен находиться не только рабочий спай, но и термоэлектро- ды термопары на определенной длине для уменьшения теплоотвода от спая.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 15 • При подключении нескольких термопар к измеритель- ному прибору переключение термопар должно быть двухполюсным для уменьшения погрешностей из-за возможно слабой изоляции при высокой температуре и некачественного заземления. • Соединение термоэлектродов с компенсационными про- водами в клеммной головке термопары должно быть за- щищено от воздействия окружающей среды (отсутствие влаги, пыли и пр.). • Для защиты от высокочастотных помех, возникающих в Рис. 1.1 цепях при работе дуговых систем розжига газа, мощных контакторов и пр. используются экранирование прово- дов и схемы заземления с фильтрами^ более подробные сведения об уменьшении помех в измерительных цепях термопар приведены в работе [1.10]. | На погрешность измерения оказывают влияние также другие факторы, а именно конструкция термопары с защитным чехлом, способ ее монтажа на объекте (в стака- не, кармане, с выступающей частью чехла и пр.), теплопередача через защитный че- хол и др.]Так, тепловой поток от фланца можно уменьшить с помощью изолирующих (асбестовых) прокладок. Длина защитного чехла, погруженного в зону измерения, должна обеспечить устойчивую теплопередачу излучением и конвекцией. Термометры сопротивления. В термометрах сопротивления используется зави- симость сопротивления металлов или полупроводников от температуры измеряе- мой среды. При увеличении температуры сопротивление чистых металлов (платина, медь, никель и др.) увеличивается, а полупроводников (окислы металлов) уменьша- ется и наоборот! Показателем изменения сопротивления термометра от температуры служит температурный коэффициент сопротивления (ТКС) а, который должен быть, как и удельное электросопротивление, возможно большим и постоянным. ТКС при- нято определять в небольшом диапазоне температур 0... 100 °C: ao;ioo = С^юо ~ ' 100- Для платины aPt = 3,9 • 10~3 град’, для меди aCu = 4,26 • 10~3 град1, для никеля высокой чистоты aNi = 6,17 10-3 град-1. Зависимость сопротивления термометра от температуры характеризуется номинальной статической характеристикой (НСХ). НСХ термометров сопротивления представлены в виде таблиц по ГОСТ 6651-94. Тип НСХ определяется двумя параметрами — Ro (сопротивление термометра при 0 °C) и отношением R100/R0. Термометры сопротивления платиновые (ТСП) имеют высокую точность изме- рения и используются для диапазона температур -200. ..+850°C. Нелинейность ста- тической характеристики ТСП в интервале температур 0...500°C не превышает 5%. Для ТСП определены следующие НСХ: 50П, 100П и PtlOO (Ro равно 50 и 100 Ом соот- ветственно). Для диапазона температур -200...+850°C известны также градуировки (НСХ) Pt50, Pt200, Pt500 и PtlOOO. Изменение сопротивления платины в диапазоне температур 0.. .+650°C выража- ется зависимостью: Rt = R() (1 + A t + Bt2 ); А = 3,9685 • 10-3 К *; В = -5,847 • 10-7 К-1 . Термометры сопротивления медные (ТСМ) используются в диапазоне темпе- ратур -50...+180°C. Для ТСМ определены следующие НСХ: 50М и 100М (Ro равно
16 ГЛАВА 1 50 и 100 Ом соответственно). Зависимость сопротивления от температуры у ТСМ линейная. Изменение сопротивления меди в диапазоне температур -50. ..+180 °C выража- етсядависимостью: R, = Ro (1 + At); А = 4,26 • 10 3 К1. I В качестве вторичных приборов для термометров сопротивления обычно ис- пользуются уравновешенные мосты и логометры. Для устранения влияния сопротивления подводящих проводов к термометру со- противления на точность измерения используется одна из трех схем подключения термометра сопротивления, — 2-, 3-или 4-проводная. При измерении температуры через термометр сопротивления пропускают стабилизированный ток, в результате чего образуется напряжение, пропорциональное сопротивлению. Это напряжение измеряется измерительной схемой прибора или устройства. Двухпроводная схема подключения термометра сопротивления не устраняет влияния подводящих проводов и используется в тех случаях, когда их сопротивлени- ем по сравнению с сопротивлением термометра можно пренебречь. При колебаниях окружающей температуры сопротивление соединительных проводов меняется, что вызывает дополнительные погрешности. В этом случае применяется 3-проводная схема, при которой одна из вершин диагонали питания моста переносится к клемм- ной колодке термометра сопротивления. | В термометрах с цифровым выходом сопротивление соединительных проводов параметрируется (измеряется и компенсируется) с помощью программного обе- спеченияДНапример, для измерительных преобразователей ТК-Н и ТЗК РА фирмы Siemens таким программным обеспечением является Simatic Р1)МД ' В трехпроводной схеме (рис. 1.2) сопротивление подводящих проводов компен- сируется, если их сопротивление одинаковое. Также одинаковой должна быть зави- симость их сопротивления от температуры. В этом случае измеренное напряжение будет равным: И = Ц + + Ur2 =U. + \ УВ четырехпроводной схеме подключения (рис. 1.3) питание термометра стаби- лизированным током осуществляется с помощью одной пары проводов, а измерение напряжения — с помощью другой. При измерении напряжения высокоомной схемой влияние сопротивления всех проводов исключается, т. е. Пизм = Ц I Рис. 1.2 Рис. 1.3
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 17 Для существенного снижения погрешности из-за влияния соединительных про- водов измерительная мостовая схема размещается в непосредственной близости от чувствительного элемента термометра, а именно в клеммной головке термометра со- противления. Выходной сигнал измерительной схемы такого нормирующего преобра- зователя, как правило, токовый (0...5 мА, 4. ..20 мА). Термопреобразователи ТСМУ-Ех, ТСПУ-Ех, а также ТХАУ-Ex, выполнены в соот- ветствии с требованиями на взрывозащищенное электрооборудование группы II по ГОСТ Р 51330.0 99 (МЭК 60079.0-98) и ГОСТ 22782.0 и 22782.5. Взрывозащищенные термопреобразователи могут использоваться во взрывоопасных зонах, где возможно образование взрывоопасных смесей категорий ПА, ПВ и ПС и групп взрывоопасности Т1...Т6 (в зависимости от температуры их воспламенения). Группа Т1 — температу- ра 450°C, Т2 — 300°C...Тб — 85°C. Электрическая цепь уровня «ia» (особовзрыво- безопасная) или «ib» (взрывобезопасная) для взрывоопасных смесей категории ПС должна соответствовать параметрам: напряжение холостого хода Схх< 24 В, а ток короткого замыкания 1к 3 < 120 мА. Технические характеристики термометров сопротивления с унифицированным выходным сигналом приведены табл. 1.7. Таблица 1.7. Характеристики термометров сопротивления с унифицированным выходным сигналом Тип термометра сопротивления НСХ Тип нормирующего преобразователя Выходной сигнал, мА Диапазон измеряемых температур, °C Класс точно- сти Изготовитель ТСМУ Метран-274 100М — 0...5,4... 20 -50...50,0...50, 0...100,0...150,0...180 0,25; 0,5 ГК «Метран», г. Челябинск ТСМУ Метран-274- Ех юом — 4...20 ТСПУ Метран-276 юоп — 0...5.4...20 -50...50,0...100, 0...200,0...400,0... 500 ТСПУ Метран-276- Ех 100П — 4...20 Метран-286 юоп — HART -40...200 -40...500 0,4 Метран-286-Exia PtlOO — ТСМУ-055 ТСМУ-205 ТСМУ-205-Ех юом ПТ-205 4...20 -50...50,0...50, 0...Ю0,0...150,0...180 0,25; 0,5 НПП «Элемер», Московская обл. ТСПУ-055 ТСПУ-205 ТСПУ-205-Ех юоп ПТ-205 0...5, 4...20. 4...20 -50...50,0...Ю0, 0...200,0...300,0...500 HT-l.l-Ex 50М, юом НПТ-1Г-ЕХ 4...20 50...50, -50... 150, -50...200,0...100, 0...200 0,5 НПП «Автоматика», г. Владимир ИТ-1.4-ЕХ 50П, юоп PtlOO НПТ-1Г-ЕХ 4...20 -50...50, 0...100,0...200, 0...400,0...500 TR-201,-301,-401, -501 PtlOO Т12.Ю Т21.Ю Т31.Ю 4...20 -200...850 0,5 IV/KA, Германия Т32.Ю HART -200...850 0,1 ГПогрешности измерения температуры термометрами сопротивления в основном определяются схемой подключения, конструкцией термометра, изменением сопро- тивления линии от температуры окружающей среды, соблюдением правил эксплуа- тации и рядом др. факторов, зависящих от конкретных условий измерения^
18 ГЛАВА 1 \ Некоторые рекомендации по уменьшению погрешностей измерения: • необходимо обеспечить хорошую электрическую изоляцию соединения термо- метра и соединительных проводов (10 МОм и более); • места соединения термометра и соединительных проводов в клеммной головке 'термометра должны быть изолированы от окружающей среды; • прокладка соединительных проводов должна производиться отдельно от линий питания для снижения наводок и др. ] 1.1.2 Неконтактные датчики температуры (пирометры излучения) Потребность в точных бесконтактных измерениях высоких температур (до 3000 °C) в ходе технологического процесса возникает во многих отраслях промыш- ленности — в металлургии, химической, стекольной и др. В одних случаях это связано с перемещением материала, температуру которо- го необходимо измерять, например, при прокатке листов, профиля или труб в ме- таллургии, или с измерением температуры слитков, слябов, расплава металла или стекломассы, т.е. тогда, когда контакт с поверхностью материала невозможен или недопустим. В других случаях, например при измерении температуры в вакуумных камерах, в печах закалки или обжига керамики, в активной или защитной среде, при- менение контактных датчиков ограничено по диапазону измерения или по условиям рабочей среды. Актуально применение бесконтактных методов измерения темпера- туры в процессах высокочастотной сварки или индукционного нагрева при высоком уровне электромагнитного излучения. Есть много и др. случаев, когда бесконтактное измерение является единственно возможным способом контроля температуры. Основы бесконтактной термометрии (пирометрии) достаточно полно освещены во многих работах, среди которых отметим [1.3,1.5,1.7,1.8,1.16]. В данной книге так- же рассмотрены вопросы практического применения пирометров излучения в про- мышленности, а также рекомендациям по снижению погрешностей измерения. Как известно, зависимость интенсивности теплового излучения черного тела во всем диапазоне длин волн от его температуры определяется уравнением М. Планка: T0(X,T) = Ci;r5(eQ/>’7 -I)’1, где С] = 2nc2h — первая постоянная излучения; С2 = ch/к — вторая постоянная из- лучения; h — постоянная Планка; к — постоянная Больцмана; с — скорость света в вакууме; Т — абсолютная температура, К. Закон излучения Планка характеризует взаимосвязь абсолютной температуры Т и спектральной интенсивности (плотности) излучения черного тела. При малых значениях XT получаем формулу Вина: Е0(Х,Т) = С1Х“5еС2/хг. При XT < 3000 мкм • град погрешность отклонения от закона Планка не превыша- ет ЗК. Проинтегрировав уравнение Планка по длинам волн X от 0 до бесконечности получим уравнение Стефана-Больцмана: Е(Х,Т) = |е0(Х,ТМХ = оТ4 , о где о = 5,67 1012Вт см-2 град-4 — постоянная Стефана-Больцмана.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 19 Максимум распределения интенсивности излучения черного тела по длине вол- ны X определяется законом смещения Вина: Хтах • Т = 2896 мкм • град. Согласно этому закону с повышением температуры Т максимум кривой спек- тральной плотности излучения смещается в сторону коротких длин волн. Любое физическое тело отличается от абсолютно черного тела (а.ч.т.) тем, что часть тепловой энергии этого тела отражается или пропускается. Поэтому интенсив- ность излучения любого физического тела £(Х, Т) будет меньше интенсивности из- лучения а.ч.т. £0(Х, Т): £(Х, Т)=е-£0(Х, Т), где 0< £ < 1 — излучательная способность (степень черноты) тела. Излучательная способность зависит как от температуры тела, так и от состояния поверхности (шероховатость, наличие пленки окислов и пр.) и угла визирования. При угле визирования меньше 40° от нормали погрешность измерения несущественна. В табл. 1.8 приведена излучательная способность высокотемпературных мате- риалов в зависимости от эффективной длины волны (еа). Таблица 1.8. Излучательная способность ^высокотемпературных материалов Материал Х = 1 мкм X = 5,1 мкм Материал Х = 1 мкм X = 5,1 мкм Графит 0,8 (2000 °C) 0,82 (2500 °C) 0,78...0,88 Сталь листовая 0,35 0,55...0,7 Молибден 0,22 (2000 °C) 0,25 (2500 °C) 0,08... 0,15 Сталь холодного проката 0,78...0,9 0,8...0,9 Вольфрам 0,28 (2000 °C) 0,32 (2500 °C) 0,05...0,25 Окись алюминия 0,3...0,4 0,45 Тантал 0,25 (2000 °C) 0,28 (2500 °C) 0,12...0,15 Стекло силикатное 0,65 0,94 Платина 0,27 0,9 Керамика 0,5 0,8... 0,85 В технике бесконтактного измерения высоких температур получили широкое при- менение яркостные (оптические) пирометры, пирометры суммарного и частичного из- лучения и пирометры спектрального отношения. В качестве приемников излучения могут применяться фотосопротивления, фотодиоды, болометры, пироэлектрические приемники, фотоэлементы, работающие как в видимой, так и в инфракрасной области. При монохроматическом излучении, т. е. излучении в очень узком конечном участке спектра длин волн, температура тела определяется величиной его спектральной ярко- сти. Яркостной температурой реального тела называется такая температура а.ч.т., при которой их энергетические яркости на одной и той же длине волны X равны между собой. Соотношение между яркостной температурой, измеренной яркостным пироме- тром, и действительной температурой определяется соотношением 1/Т-1/Тя=—1пе(Х,Т), где £ (X, Т) — монохроматический коэффициент черноты тела. Погрешность яркостного пирометра тем меньше, чем меньше X и ниже темпе- ратура. При повышении температуры эффективная длина волны уменьшается, по- скольку максимум энергии излучения смещается в сторону коротких волн. Для изме-
20 ГЛАВА 1 рения яркостных температур используется одна из длин волн в диапазоне 0,6...1,5 мкм (в яркостных пирометрах с исчезающей нитью обычно 0,65 мкм). Пирометры суммарного излучения (радиационные пирометры) используют закон Стефана-Больцмана для а.ч.т. Для реального тела радиационной температу- рой Тр называется температура а.ч.т., интенсивность теплового излучения которого во всем диапазоне длин волн такая же, как и у реального тела. С учетом того, что е • оТ4 = оТр4, получим — где Т — действительная температура реального тела; е — степень черноты тела. Радиационная температура Тр, измеренная по интенсивности суммарного излу- чения нечерного тела, всегда меньше действительной (истинной) температуры Т. Поскольку степень черноты е не зависит от длины волны лишь для «серых» тел, вышеприведенная зависимость соблюдается достаточно хорошо только для зеркаль- ной оптики. Применение линзовой оптики приводит к ограничению спектрального диапазона, что превращает пирометры суммарного излучения, строго говоря, в пи- рометры частичного излучения, и в этом случае показания пирометра могут не соот- ветствовать общепринятой зависимости, выраженной законом Стефана-Больцмана. Для любого пирометра частичного излучения для каждого конкретного материала можно подобрать показатель корня в вышеприведенной формуле так, что в некото- ром диапазоне температур можно будет зависимость радиационной и действитель- ной температур выразить соотношением Т = Т гщ' где n=f(T) для конкретного материала линзы пирометра (например, для Т=2000К и линзы из кварцевого стекла л = 4,3); £ф — фактическая степень черноты тела в огра- ниченном спектральном диапазоне пирометра. При этом реально используемый спектральный диапазон определяется не только ма- териалом фильтров и линз, но и спектральной характеристикой приемника излучения. Температурой частичного излучения называется температура а.ч.т., при которой интенсивность его теплового излучения в интервале длин волн Х1...Х2 формирует вы- ходной сигнал пирометра такой же величины, как и реальный объект при его дей- ствительной температуре. Влияние степени черноты тела на показания пирометра при уменьшении температуры снижается. В пирометрах частичного излучения, как правило, используются средняя или ближняя инфракрасная области спектра. Зависимость распределения спектральной энергетической яркости от темпера- туры используется в пирометрах спектрального отношения. Температура спектраль- ного отношения (цветовая температура) — это температура а.ч.т., при которой отно- шение интенсивностей излучения в участке спектра с эффективными длинами волн X, и Х2 такое же, как и у реального тела. Таким образом, цветовая температура Тц связана с действительной температурой реального тела Т соотношением £О(ХР Тц )/£0(Х2, Тц ) = £(ХР Т)/Е(Х2, Г). После замены Е и Ео их значениями по формуле Вина и логарифмирования полу- ченного выражения зависимость между действительной и температурой спектраль- ного отношения примет вид: 1/Т- 1/Тц = In [е (Хр П/е (Х2, Т)] • [l/C2(Xf> - Х2~1)].
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 21 Для серых излучателей, спектральная излучательная способность которых в какой-либо области спектра постоянна, правая часть выражения обращается в ноль. Таким образом, измеренная пирометром спектрального отношения цветовая температура для серого излучателя равна действительной. Примером серого излучателя с некоторым приближением может служить графит, у которого в диапазоне температур от 1700 до 2000 °C степень черноты ех изменяется от 0,78 до 0,79. Поскольку степень черноты у графита и др. неметаллических материа- лов медленно растет с ростом длины волны, измеренная цветовая температура будет меньше действительной и наоборот, т.е.: если е (Хр 70 < е(Х2, Т), то Тц < Т, а прие (Хр Т) > е(Х2, Г), Тц> Т. Наименьшей селективностью обладают твердые тела с шероховатой поверхно- стью. Независимость показаний пирометров спектрального отношения от степени черноты при измерении температуры «серых» излучателей и значительно меньшие по сравнению с др. классами пирометров погрешности при измерении температуры большой группы нечерных тел, степень черноты которых лежит в диапазоне 0,6.. .0,9, определили преимущественное использование пирометров этого класса. К другим преимуществам пирометров спектрального отношения относятся независимость показаний от расстояния до излучающей поверхности, ее размеров и возможность производить измерения в более широком диапазоне углов визирования. Принципиальная схема пирометра спектрального отношения, реализующая ме- тод измерения отношения двух потоков излучения на длинах волн Xj и Х2 , включает два пирометра (два фотоприемника с одноканальными схемами усиления) и схему обработки 2-х сигналов для вычисления значений температуры по величине отноше- ния сигналов. Чувствительность пирометра тем выше, чем больше расстояние между областями спектральной чувствительности, т. е. чем меньше X, и больше Х2. Однако этот интервал не должен быть слишком велик, чтобы не стала сказываться неравно- мерность спектра излучательной способности. У большинства пирометров спектрального отношения ширина спектрального диапазона составляет около 0,2 мкм (0,45...0,65 мкм, 0,65...0,88 мкм, 0,88...1,03 мкм и др.). Наведение на объект измерения осуществляется с помощью оптического при- цела, специального осветителя (фонарика) или лазерного луча. Из ведущих зарубежных фирм, выпускающих пирометры излучения, можно назвать Land Instruments International Ltd. (Англия), Mikron (США), Raytek (США- Германия), Siemens (Германия), Impac (Германия), Heitronics (Германия), InfraPoint (Германия), Eurotron (Италия), ОРТЕХ (Япония) и др. Каждая из фирм выпускает, как правило, пирометры компактные (переносные) и стационарные, частичного излуче- ния и спектрального отношения. Для примера перечислим некоторые из выпускаемых типов зарубежных пиро- метров. Так, фирма Land выпускает пирометры Minolta /Land Система 4 типа Ml, R1, LandFLTSA типов FG (оптоволоконные), JRG, DTT и VDT на диапазон 4,8...5,2 мкм. Фирма Mikron производит пирометры М67, М-90, М-120. Фирма Siemens выпускает известные пирометры серий ARDOPORT, ARDOCELL, ARDOMETER и ARDOCOL. Фирма Impac — пирометры спектрального отношения IS/GA, ISQ5...IS10 и IN5-Ex для взрывоопасных производств. Из пирометров фирмы Heitronics отметим серии KT-81R, -81S, КТ-19, КТХ (каждая серия включает от 6 до 19 моделей). Среди ста-
22 ГЛАВА 1 Рис. 1.4 ционарных пирометров фирмы Eurotron выделим пирометры IRtec Rayomatic -10, -20, -40, -60, -100. Среди пирометров спектрального отношения фир- мы ОРТЕХ отметим серию VF-3000. Одной из известных зарубежных фирм, выпу- скающих большую линейку пирометров, является фирма Raytek (США-Германия). В табл. 1.9 приведе- ны технические характеристики стационарных пирометров частичного излучения и спектрального отношения фирмы Raytek, а на рис. 1.4 приведен общий вид пироме- тра спектрального отношения серии MR1S. Таблица 1.9. Характеристики пирометров фирмы Raytek Тип пирометра Модель Спектральный диапазон, мкм Диапазон измере- ния, °C Точ- ность, % Время уста- новления показаний, с Показатель визирования, d = //s Выходной интерфейс Спектрального отношения Серия MR1S 1,0 600...3000 0,5 0,01 44:1/130:1 4 - 20мА, RS-485/RS-232 Спектрального отношения FR1 1,0 450...2500 0,3 0,01 20:1/65:1 4 - 20мА, RS-485/RS-232 Частичного излучения Серия TX/SX 2,2; 3,9; 4,24; 4,47:4,61; 5,0; 7,0; 7-14 -18...2000 1 0,02....0,15 15:1/60:1 4 - 20мА, HART Protocol, RS-485/RS-232 Частичного излучения MID/MIC 3,9; 5,0; 8-14 -40... 1200 1 0,15 2:1/10:1 0/4 - 20мА, 0-5В, К, J, RS-485/RS-232 Частичного излучения MA1/2S • 1,0; 1,6 250...3000 0,3 0,001 80:1/ 300:1 0/4 - 20мА, RS- 485/RS-232 Частичного излучения FA1/2 1,0; 1,6 250... 3000 0,3 0,01 22:1/44:1 /100:1 0/4 - 20мА. RS-485/RS-232 К числу известных производителей большой линейки стационарных и перенос- ных пирометров относится фирма Siemens. В табл. 1.10 приведены основные техни- ческие характеристики пирометров серий ARDOCELL, ARDOCOL, ARDOMETER, ARDOPORT и ARDOPTIX фирмы Siemens. Пирометры имеют прочный металличе- ский корпус (нержавеющая сталь или алюминий), класс защиты IP65, высокую элек- тромагнитную помехоустойчивость, а также высокую точность измерения за счет многоточечной линеаризации сигнала. Отдельные серии пирометров имеют от 40 до 50 различных типов. Фирма выпускает пирометры с передачей излучения от нагрето- го тела по световоду (ARDOCELL PS36 и др.). Таблица 1.10. Характеристики пирометров фирмы Siemens Тип пирометра Диапазон измерения, °C Показатель визирования Выход Пирометры частичного излучения ARDOCELL PS IX 30...1000 1:20 0/4...20 мА, RS-232, RS-422/RS-485 ARDOCELL PS 2X/3X 180...3000 1:20 ARDOCELL PS 11 0...400 1:20 ARDOCELL PS 21 300... 900 1:100 ARDOCELL PS 31 700... 1400 1:100 ARDOCELL PS 32 100...2500 1:30
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 23 Окончание табл. 1,10 Тип пирометра Диапазон измерения, °C Показатель визирования Выход ARDOPORT (портативный) -30...1999 1:20 RS-232 ARDOPTIX (портативный) 200...2500 1:20 RS-232 Пирометры спектрального отношения ARDOCELL PZ10 0...1000 1:38 0/4...20 мА, RS-232, RS-422/RS-485 ARDOCELL PZ30 700...2500 1:240 ARDOCELL PZ41 1000...3000 1:120 ARDOMETER MPZ, PZ10 0...1000 1:40 ARDOMETER MPZ, PZ20 250...2000 1:150 ARDOMETER MPZ, PZ30 700...2500 1:175 ARDOCOL MPZ, PZ40 900...2400 1:150 ARDOCOL MPZ, PZ50 500...1400 1:150 Большой арматурный набор для защиты пирометров включает водоохлаждае- мые корпуса, диффузоры, защитные трубы и др. В пирометрах используется оптика с просветными визирами, фокусируемая оптика и сменная оптика. В табл. 1.11 приведены технические характеристики пирометров фирмы «MIKRON» (США). Таблица 1.11. Характеристики пирометров фирмы MIKRON (США). Тип модели Спектральный диапазон, мкм Диапазон температур, °C Назначение Пирометры частичного излучения М50 (компактный) 6,5... 14 -20... 300 Многоцелевое назначение М500 (компактный) 7...14 0...500 Широкий спектр применения М67А 7...20 -40...100 Низкотемпературные процессы М67В 8...14 0...1000 Общего назначения М67Е 4,8...5,2 100...1300 Производство стекла и керамики М67Н 0,78... 1,06 500... 3000 Горячие и расплавленные металлы М67Р 2...2,6 250... 1650 Черные и цветные металлы М68, M68L (световодный) 0,78... 1,06; 1...1.6 500...3000; 350... 1100 Производство стекла, индукционный нагрев Пирометры спектрального отношения М77 2 узких диапазона 350.. 3500 Металлы, литейное производство, индукционный нагрев M77LS 2 узких диапазона 300...3000 Лабораторная модель пирометра M190R1, M190R2 0,78...1,06 250...3000 Черные и цветные металлы М770, М780 2 узких диапазона 300... 3000 Металлургия М78, М780 (световодные) 2 узких диапазона 350...3500 Металлургия Пирометры М68 и M68L работают при окружающих температурах до 300 °C без охлаждения и до 500 °C с охлаждением, длина волоконно-оптического кабеля до
24 ГЛАВА 1 12 м. Пирометры М770/780 имеют аналоговый выход 4...20 мА, интерфейс RS-485, цифровой дисплей и возможность наведения на объект размером 2 мм. Пирометр М600 «Infracouple» (диапазон измерения 300...3000°C) имеет на выходе такие же сигналы, как и термопары типа К, R, S, В и W. Одним из высокотемпературных све- товодных пирометров является пирометр серии М668 (250...4000°C), а также пи- рометр М680 (150...3600°C) для процессов индукционного нагрева, плазменного производства, плавки металлов. Каждый из типов пирометров имеет от 3-х до 7 моделей. Фирма HEITRONICS (Германия) выпускает инфракрасные пирометры серий КТ. К ним относятся пирометры КТ11 иКТ12 для низких температур (-30...400 °C, выход 0/4...20 мА), КТ15 (19 моделей) на диапазон температур -50°C...3000°C (выход RS- 232), КТ19 (19 моделей) на диапазон температур -50...3000°С (ЖК дисплей, выход RS-232, показатель визирования 1:200), КТ81 на диапазон температур 500...3000°С (пирометр спектрального отношения, выход RS-232, показатель визирования 1:400), КТ150 на диапазон температур -50...2500°C (выход RS-232, 0...1В, 0...10В, 0/4...20 мА), КТХ (5 моделей) на диапазон температур 0°C...2000°C (выход 0/4...20 мА). Пи- рометры серий КТ12 и КТХ наиболее устойчивы к электромагнитным помехам. Фирма EUROTRON (Италия) производит высокотемпературные пирометры IRtec Rayomatic 20 на диапазон температур -25.. .2000 °C (выход 4.. .20 мА), IRtec Rayomatic 40 на диапазон температур -25.. .2000°C (HART), IRtec Rayomatic 60 на диапазон темпера- тур 300... 1600 °C (4.. .20 мА), IRtec Rayomatic 100 на диапазон температур 300.. .2700 °C (4...20 мА). Фирма производит также портативные пирометры IRtec Р на диапазон температур -30...2000 °C. Показатель визирования от 1:60 до 1:200. Фирма ОРТЕХ (Япония) выпускает пирометры серии РТ на диапазон температур от -40 до 500 °C, также высокотемпературные пирометры частичного излучения VF- 3000 на диапазон температур 400...3000°C и спектрального излучения на диапазон температур 600...2000°C. Показатель визирования пирометров 1:200, устройство на- ведения — лазерный целеуказатель. Пирометры фирмы IMPAC Infrared GmbH (Германия), входящей в Micron Group, рассчитаны на измерение температуры вплоть до 3300 °C в различных отраслях про- мышленности. Так, для диапазона температур 250...3000 °C выпускаются стационар- ные пирометры Serie 5 (IGA5), Serie 12 (IGA12), Serie 140 (IGA140), Serie 200 (IGA200) и Serie 300 (IGA300). В табл. 1.12 представлены характеристики пирометров серии IS300/ IGA 300. Таблица 1.12. Характеристики пирометров фирмы IMPAC Модель Диапазон измерения, °C Спектральный диапазон, мкм Погрешность, % Показатель визирования IS300/MB13 650... 1300 0,8...1,1 ± 1,5 1:70,1:75, 1:80 IS300/MB18 650... 1800 0,8...1,1 ± 1,5 1:70,1:75,1:80 IS300/MB25 1100...2500 0,8...1,1 ±1,5 1:70, 1:75, 1:80 IGA300/MB8 300...800 1,45... 1,8 + 1,5 1:40,1:60 IGA300/MB12 400... 1200 1,45... 1,8 ±1,5 1:40,1:60 IGA300/MB13L 300... 1300 1,45...1,8 + 1,5 1:40,1:60 На диапазон температур 550...3300°С выпускаются соответственно Serie 5 (IS5), Serie 12 (IS12), Serie 140 (IS140), Serie 200 (IS200) и Serie 300 (IS300). Для диа- пазона температур 200... 1600°C выпускается пирометр Kleiber290, а для диапазона
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 25 160...2300°C пирометр Kleiber274. К пере- носным пирометрам относятся модели IG А 8plus и IGA 15plus (250...3000°C) и IS 8plus (550...3300°C). На рис. 1.5 представлен пи- рометр IGA 200 Serie 200 (а) и серии 300 (6) фирмы IMPAC Infrared GmbH (Германия). В табл. 1.13 приведены данные пиро- метров фирмы MAURER GmbH (Германия). Рис. 1.5 Основная относительная погрешность из- мерения пирометров ±1,0%, выходной сигнал 0/4.. .20 мА и 0... 10 VDC. Таблица 1.13. Характеристики пирометров фирмы Maurer GmbH Модель Диапазон измерения Спектральный диапазон, мкм Быстродействие, мс Область применения OKTR 1485 600... 3300 0,85... 1,1 20...200 Металлургия KTR 1485 550... 4000 0,85...1,1 10... 100 Металлургия KTR2100-G 200...2500 5,1...5,6 5...500 Стекло KTR 1475 250...1700 1,45...1,7 10...100 Металлургия Фирма LAND Instruments International (Англия) производит пирометры для из- мерения температуры стекла, керамики, металла и др. материалов. К пирометрам фирмы Land относятся модели Ml 600/1600 CL (диапазон температур 600... 1600°C, спектральный диапазон 1 мкм), Ml 800/2600 CL (800... 2600 °C, 1 мкм), R1 600/1600 CL (600.. .1600 °C, 0,85... 1 мкм), R11000/2600 CL (1000.. .2600 °C, 0,85... 1 мкм). Фирма про- изводит большую гамму пирометров для стекольной промышленности, в том числе для измерения температуры поверхности стекла Land FLT5A (250 °C... 1100 °C, 3,9 мкм, показатель визирования 1:50, выход 4...20 мА), температуры стекломассы FG 10/14С (1000... 1400°C, 1:50,0,7... 1 мкм), FG 12/16,5С (1200... 1650 °C, 1:50,0,7... 1 мкм) и VDT (1000...2500 °C, 1:100,4,8... 5,2 мкм). Среди отечественных пирометров отметим пирометры фирм «Инфратест» (г. Ека- теринбург), КБ «Диполь» (Москва) и «ТЕХНО-АС» (г. Коломна, Московская обл.). В табл. 1.14 представлены пирометры серии «Термоскоп» (фирма «Инфратест»). Пирометры широко применяются для измерения температуры в производстве ме- таллов, керамики, стекла и пр. На рис. 1.6 представлен пирометр «Термоскоп-004» фирмы «Инфратест». Рис. 1.6
26 ГЛАВА 1 Таблица 1.14. Характеристики пирометров фирмы «Инфратест» Тип пирометра Диапазон измерения, °C Показатель визи- рования Погрешность, % Выход Целеуказатель Пирометры частичного излучения Термоскоп-004 (стационарный) 300...2000 От 1:50 до 1:500 ±0,5 RS-485, 0/4...20 мА Лазерный или оптический Термоскоп-100 (ручной) -20...2000 От 1:60 до 1:300 ±1,0 — Лазерный Термоскоп-100- Logo(ручной) -20...2000 От 1:60 до 1:300 ±1,0 RS-232 Лазерный Термоскоп-300-1С (ручной) 300...2000 1:240 ±0,5 RS-232 Оптический Термоскоп-200 (стационарный) -20...2000 От 1:30 до 1:75 ±1,0 4...20 мА Оптический или лазерный Термоскоп-600- 1С 300...2000 Ос 1:160 до 1:280 ±0,5 RS-485, 4...20 мА Оптоволокно Термоскоп-800-1С 300...2000 1:300 ±0,5 RS-4856 0/4...20 мА Оптический Пирометры спектрального отношения Термоскоп-300-2С (ручной) 700...2000 1:100 ±0,75 RS-232 Оптический Термоскоп-600-2С 700...2000 1000...2000 1:100 ±0,75 RS-485, 0/4...20 мА Оптоволокно Термоскоп-800-2С 700...2000 1:100 ±0,75 RS-485, 0/4...20 мА Оптический Инфракрасные термометры (пирометры) серии КЕЛЬВИН, выпускаемые КБ «Диполь» (Россия), охватывают область температур от -30 до 2300 °C. Модель «Кельвин ЛЦМ» (показатель визирования 1:90, 1:120, 1:150, 1:180, 1:200, 1:250, 1:300) рассчитана на диапазоны температур -30... 100°C, -30...200°C, -30... 400°С, -18...600°С, 100...1000°С, 200...1300°С, 500...1600°С, 700...1800°С. Абсолют- ная погрешность определяется выражением: 1 оС+0,01хТизмоС. Модель «Кельвин- У1» (показатель визирования 1:120 и 1:180, спектральный диапазон 1,0... 2,6 мкм) измеря- ет температуру в диапазоне 300.. .2300 °C. Модель «Кельвин-У2» (1:100, 3,86 мкм) имеет диапазон измерения 500...2300°C. Модель «Кельвин-УЗ» (1:100, 4,8...5,2 мкм) имеет диапазон измерения 300...2300°C. Пирометры выполнены в переносном (ручном) исполнении, однако легко перестраи- ваются в стационарное исполнение. По заказу выход пирометра может быть 0.. .5 мА, 4. ..20 мА, 1 мВ/I град или RS-232. Инфракрасные пирометры фирмы «ТЕХНО-АС» (Россия) применяются в те- плоэнергетике, металлургии, стройиндустрии, химической и пищевой промыш- ленности. К низкотемпературным пирометрам относятся пирометры С-НО «Фа- кел» (-20...200°C, показатель визирования 1:100, погрешность ± 1,5%), С-210 « Салют» (-20...600°C, показатель визирования 1:100, погрешность ± 1,5%), С-300 «Фаворит» (-20. ..600 °C, показатель визирования 1:100, погрешность ± 1,5%). К вы- сокотемпературным пирометрам ООО «ТЕХНО-АС» относятся пирометры С-500 «Самоцвет» (400... 1600°C, показатель визирования 1:100, погрешность ± 1,0%),
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 27 С-600 «Хрусталь» (700...1900°C и 800. ..1200°C, показатель визирования 1:180, по- грешность ± 1,0%) и С-3000 «Сталь» (1300... 1800°C, показатель визирования 1:50, погрешность ± 1,0%). ННТП «Термоконт» (Москва) выпускает пирометры ДИЭЛТЕСТ серий TH, ТВ, ТЦ. Модельный ряд пирометров ДИЭЛТЕСТ включает до 90 стандартных моделей на начало 2005 г., из которых 60 моделей — стационарные приборы. Погрешность измерений составляет для различных моделей ±1, ±0,5 и ±0,3% при одинаковых или близких остальных характеристиках. Пирометры ДИЭЛТЕСТ являются мало- чувствительными к электромагнитным полям, что позволяет использовать их на металлургических и машиностроительных предприятиях, оснащенных мощными индукционными нагревательными и плавильными печами. Для этого ни в одной из модификаций приборов не используются моточные элементы (трансформато- ры, дроссели, дроссельные и трансформаторные преобразователи напряжения), подверженные влиянию сильных магнитных полей. Необходимо отметить, что стационарные модификации пирометров ДИЭЛТЕСТ выпускаются в прочном ме- таллическом корпусе, что повышает их механическую прочность и надежность. Большинство модификаций пирометров может комплектоваться пыле- брызгоза- щитными кожухами со степенью защиты IP65. Питание стационарных пирометров составляет 24 VDC, а переносных — от аккумуляторов. Линейка стационарных пирометров ДИЭЛТЕСТ состоит из 12 серий, каждая из которых различается по принципу действия (частичного излучения или спектрального отношения), диапа- зону измеряемых температур, спектральному диапазону, погрешности измерений и по конструктивному исполнению. Внутри серии пирометры подразделяются на следующие модификации: • базовая с выходным сигналом 0.. .20 мА; • базовая с выходным сигналом 4.. .20 мА; • базовая с выходным интерфейсом RS-232. Кроме того, каждая из модификаций может иметь дополнительно выходные ре- лейные контакты (мин. и макс.). Эти модификации отличаются тем, что можно за- дать значение температуры, по достижении которой сработает находящееся в при- боре реле замыкающее контакты. Контакты изолированы от корпуса пирометра и от имеющихся внутри его потенциалов («сухие контакты»). Система визирования всех стационарных пирометров — квазибеспараллакс- ная, с двумя лазерными целеуказателями, при этом центр измеряемой области на- ходится точно посередине между лазерными пучками. Оптические системы пиро- метров сфокусированы на расстояние примерно 1 м (стандартная оптика). На этом расстоянии от объектива пирометра находится плоскость визирования, размер которой минимален. Необходимость фокусировки на др. расстояния оговаривает- ся при заказе пирометра. Все модели пирометров ДИЭЛТЕСТ (более 150) делят в зависимости от точности на 3 группы: пирометры широкого применения (погреш- ность ± 1,0%), повышенной точности (погрешность ± 0,5%) и прецизионные (по- грешность ± 0,3%). К пирометрам 1-й группы относятся пирометры ТНЗ (4,5,6) П и ТНЗ (4,5,6) С, к пирометрам 2-й группы — ТВ2 (3) П, ТЦ2 (3) П и ТВ2 (3) С, ТЦ2 (3) С, к пирометрам 3-й группы — ТВ4 (5) П, ТЦ4 (5) П и ТВ4 (5) С, ТЦ4 (5) G Буква «П» в типе пирометра означает «переносной», буква «С» — «стационарный»). В табл. 1.15 приведены основные технические характеристики некоторых пиро- метров ННТП «Термоконт».
28 ГЛАВА 1 Рис. 1.7 Таблица 1.15. Характеристики пирометров фирмы ННТП «Термоконт» Тип пирометра Диапазон измерения, °C Спектральный диапазон, мкм Показатель визирования Погреш- ность, % Выход Целеуказатель ТН4П (част, излучения) 200... 1200 0,8...4,0 1:50 + 1,0 — Оптический ТВ6С (част, излучения) 500... 1800 0,9...1,1 1:100 + 1,0 0...20мА Лазерный ТВ2П (част, излучения) 500... 1800 или 700...3000 0,9...1,1 1:125 ±0,5 — Оптический, дисплей ТЦ2С (спектр, отношен.) 600... 1800 0,6...0,9/ 0,9...1,1 1:80 ±0,5 0...20мА Лазерный ТЦ-4П (спектр, отношения) 600... 1800 0,6...0,9/ 0,9...1,1 1:80 ±0,3 — Оптический На рис. 1.7 представлены пирометры ТВ2П (а), ТЦ2С (б) и ТВ6С (в). Следует сказать, что переносные пирометры находят широкое применение в раз- личных отраслях промышленности благодаря целому ряду преимуществ: • отображению на дисплее текущего значения, максимальной, минимальной и средней температуры, а также разницы температур; • компенсации влияния фона на точность измерений; • сигнализации выхода параметра за пределы измерения; • сохранению в памяти прибора до 100 и более точек измерения; • наличию лазерного или оптического прицела; • малым габаритам и др. В табл. 1.16 приведены характеристики переносных пирометров фирмы Raytek (Германия). Таблица 1.16. Характеристики переносных пирометров фирмы Raytek Тип пирометра Диапазон измерения, °C Спектральный диапазон, мкм Погрешность, % Целеуказатель Габариты MiniTemp4 (Raytek) -18...275 7...18 ±2,0 Лазерный 150x100x38 Raynger MX (Raytek) -30...900 8...14 ±0,75 Лазерный 200x170x50 Raynger 3i (Raytek) 10...800 200... 1800 150... 1800 600...3000 7,9 (фторопласт); 1,6 (металл, керамика); 5,0 (стекло); 1,0 (металл, керамика) ±1,0 Лазерный или оптический 15x101x38 На рис. 1.8 показан общий вид портативных пирометров MiniTemp и Raynger 3i.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 29 Применительно к различным объектам измерений и условиям рабочей среды могут быть сделаны некоторые практические ре- комендации по использованию пирометров в конкретных условиях производства. При измерении температуры тел, у которых еА мала, а также для исключения влияния засветки пирометра рекомендует- ся использование визирной трубки, глухой конец которой находится в зоне измеряемой температуры. Если отношение внутреннего Рис. 1.8 диаметра трубки к ее длине составляет 1/15 или менее, то можно рассматривать вну- треннюю поверхность дна трубки как а.ч.т. Известно также, что при погружении защитной трубки в ванну расплава на глу- бину, превышающую ее диаметр в 5 раз, коэффициент ех = 0,99 11.3]. Для графитовой трубки длиной 120 мм с внутренним диаметром 6 мм. коэффициент ех = 0,995 [1.10]. Иногда создание искусственной полости черного тела достигается высверливанием в объекте цилиндрического канала с соотношением диаметра к длине не более 1/5. При высоком уровне электромагнитных помех или высокой окружающей темпе- ратуре, а также при наличии дыма, конденсата, пыли или присутствия посторонних предметов в зоне измерения используется волоконная оптика. Гибкий волоконно- оптический кабель (ВОК) переносит поток излучения от объекта непосредственно к приемнику пирометра. Различная форма приемной площадки ВОК (прямоугольная, цилиндрическая, конусная) позволяет собрать излучение с различной площади излу- чателя. Помимо гибких свет оводов могут использоваться и жесткие световоды. В рабо- те [1.10] рассмотрен пирометр полного излучения для измерения высоких температур (до 1800 °C) в углеродсодержащей среде с помощью свет овода из лейкосапфира. Наличие паров воды, дыма, пыли и пр. могут увеличить погрешность измерения температуры. При выборе пирометра с конкретным спектральным диапазоном сле- дует учитывать зависимость коэффициентов пропускания и поглощения от длины волны. Так, пыль и конденсат приводят к ослаблению потока излучения. Полосы по- глощения паров воды оказывают сильное влияние на длинах волн 2,2...3 мкм. Со- держащиеся в печных газах СО с полосами поглощения на длинах волн 4,8.. .5 мкм и СО2 с полосами поглощения на участках спектра 2,8.. .3 мкм и 4,1.. .4,3 мкм не оказы- вают влияния на погрешности измерения пирометров с кремниевыми фотодиодами, спектральная чувствительность которых находится в диапазо- не 0,8... 1,2 мкм [1.5]. В ряде пирометров производи! ели предусматривают не- обходимость учета рассеянного излучения и плохого контакта (диапазон регулирования изменения излучательной способно- сти в приборах устанавливается от 0,10 до 1,15 и даже до 1,50 с шагом 0,01). Влияние зеркального отражения убирается либо выбором места установки прибора, либо установкой защит- ных экранов (штор). При измерении температуры ряда материалов пироме- трами излучения необходимо учитывать их специфические свойства. Особенности измерения температуры поверхности Рис. 1.9
30 ГЛАВА 1 слитков, слябов связаны с наличием окалины, дыма и пр. При измерении темпера- туры стекла необходимо учитывать, что коэффициенты излучательной способно- сти ех стекла в видимой и ближней ИК-области спектра малы и достигают значений 0,82...0,98 в области длин волн 4,5...8 мкм (максимум около 0,98 при длине волны 5 мкм). В диапазоне длин волн 8... 12 мкм излучение снижается из-за роста коэф- фициента отражения (рх), вызванного резонансом группы SiO2 в стекле. Таким об- разом, в диапазоне 4,5...8 мкм стекло по излучательной способности приближается к а.ч.т. Характеристики стекол, охватывющих ИК-область спектра, и приемников I4K- излучения приведены в работах [1.4,1.7,1.11,1.12]. Рассмотрим другие системы неконтактного измерения температур — тепловизо- ры и сканирующие термометры. Тепловизор — устройство, фиксирующее тепловое поле удаленного объекта из- мерения. Тепловизор имеет память на 100 и более термограмм, которые могут быть перенесены на персональный компьютер для обработки и архивации. На экране ото- бражается термограмма в выбранной палитре с цифровым значением температу- ры в центральной точке термограммы. Тепловизор ThermoView Til30 фирмы Raytek (рис. 1.9) имеет болометрическую матрицу 160x120, диапазон измерения температуры -10.. .250 °C в спектральном диапазоне 7... 14 мкм. Погрешность измерения температу- ры +2 °C, показатель визирования 1:10 при минимальном пятне визирования 7 мм. Прибор позволяет анализировать термограммы, накапливать архив и создавать отчеты. В тепловизоре используется лазерный прицел. Для связи с компьютером имеется порт USB. Прилагаемое ПО InsideIR помимо обработки термограмм создает БД по техническому обслуживанию и диагностике оборудования. В табл. 1.17 приведены характеристики тепловизоров различных фирм. Таблица 1.17. Технические характеристики тепловизоров Модель Диапазон измерения,°C Погрешность, % Память Масса, кг TH 9100 («NEC») -4... 500 ±2 1Гб 0,7 TermoView ТОО (Raytek) -10...250 ±2 100 термограмм 1.0 Flexcam (Infrared Solutions Inc.) -10...600 ±2 1 Гб 1,9 IRI1011 (Infrared Integrated Systems Ltd) -10...300 ±2 1000 термограмм 0,6 M9100 Provision (Mikron) 600...4000 +1,5 Запись на НЖМД 30 кадров/с 0,8 Сканирующий термометр (инфракрасный сканер) применяется для точного измерения и визуализации тем- пературы протяженных объектов (лента, полоса). Линейно-сканирующий термометр МР-50 фирмы Raytek (рис. 1.10) включает бесколлекторный электродвига- тель, устройство сканирования (зеркало, линзы, реперное черное тело калибратор), инфракрасный детектор, микро- процессор, устройства аналоговых и цифровых входов- выходов. Сканирующий термометр МР-50 имеет высокую Рис. 1.10
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 31 скорость сканирования (до 48 линий в секунду), формирует цветные термопрофили в режиме реального времени, вычисляет параметры термограмм. Обработка данных осуществляется с помощью ПО DataTemp. Частота сканирова- ния— 48 Гц, угол сканирования — 90°, оптическое разрешение — 100:1. Прибор имеет прочный водоохлаждаемый корпус с воздухообдувом входного окна прибора. Размеры прибора: 200x180x190 мм. В табл. 1.18 приведены технические характеристики сканирующего термометра МР-50 (оптическое разрешение 100:1). Таблица 1.18. Характеристики сканирующего термометра МР-50 Тип Спектральный диапазон» мкм Диапазон измерения, °C Оптическое разрешение MR50 LT 3...5 20...300 100:1 MR50 МТ 3,9 100...800 100:1 MR50 G50 5 100...600 100:1 MR50 G51 5 200...950 100:1 MR50 1М 1 600...1200 100:1 MR50 2М 1,6 400... 950 100:1 В последнем десятилетии появилось 2 новых класса неконтактных термометров — многодиапазонные (многоспектральные) пирометры и пирометры, совмещенные с телевизионными системами наблюдения. Укажем на одно важное обстоятельство, имеющее отношение к многоспектральным пирометрам. Приборы данного класса обеспечивают приемлемую точность измерений температур поверхности различных материалов при условии их специальной калибровки в определенном, достаточно узком, температурном диапазоне, характерном для каждого конкретного материала. 1.1.3 Регуляторы температуры прямого действия Регуляторы температуры основаны на поддержании температуры регулируемой среды путем изменения расхода с помощью регулирующего клапана. Регуляторы пря- мого действия относятся к устройствам, работающим без использования посторон- него источника энергии. Конструктивно регулятор представляет собой термобаллон с термочувствительным жидким или твердым наполнителем, капиллярную трубку и регулирующий орган (клапан или сильфон) (рис. 1.11), представляющий собой двух- ходовой нормально открытый (НО) или нормально закрытый (НЗ) клапан. Материал клапана и термобаллона — в основном нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т. При изменении температуры регулируемой среды изменяется давление рабоче- го вещества, что приводит к перемещению клапана на величину, пропорциональную изменению объема наполнителя замкнутой термосистемы. Рис. 1.11
32 ГЛАВА 1 Постоянная времени регуляторов температуры прямого действия может состав- лять от 60 до 199 с. Регуляторы температуры прямого действия используются для поддержания тем- пературы жидких и газообразных сред. • Технические характеристики регуляторов ОАО «Теплоконтроль» (г. Сафоново) и компании Samson (Германия) приведены в табл. 1.19. Регуляторы температуры с использованием внешних источников питания работа- ют в комплекте с первичными преобразователями с унифицированным выходным сиг- налом или с первичными и нормирующими преобразователями, унифицированный выходной сигнал которых обрабатывается микропроцессорной схемой регулятора. В табл. 1.19 приведены характеристики регуляторов температуры прямого дей- ствия. Таблица 1.19. Характеристики регуляторов температуры прямого действия Тип Ду, мм Условная пропускная способность м’/ ч Предел настройки температуры, °C Температура среды,°C Давление среды, МПа Длина ка- пилляра, м PT-ДО (ДБ) («Теплоконтроль») 15 25 40 50 80 2,5 6,3 16 25 60 0-40,20-60,40-80, 60-100,80-120, 100-140,120-160, 140-180 -15...+ 225 0,4; 0,6 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0 РТС-ДО(ДЗ) («Теплоконтроль») 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 2,5 4,0 6,3 10 16 25 40 63 100 160 250 0-100; 100-200 0...+225 1,0; 1,6 1,6; 2,5; 4,0; 6.0; 10.0 РТПД («Теплоконтроль») 65 80 100 125 150 40 100 160 250 400 35-60; 60-85; 85-110 0...+225 1,0 2,5; 4,0; 6.0; 10,0 РТ-ТС («Теплоконтроль») 25 40 50 80 6,3 12,5 25 60 Фиксировано: 35,45,50, 55,60, 65, 70,75,80,85, 90, 95 ±2 °C 120 1,0 — РТЦГВ («Теплоконтроль») 20 25 32 4,0 6,0 10 Фиксировано: 50,60, 75 130 1,0 — 2РТ-04 («Теплоконтроль») 15 32 2,5 10 0-15; 15-30; 30-45 Вода — до 100; пар — до 200 1,6 4,0; 6,0; 10,0 РТР («Теплоконтроль») 15 20 1,8 2,2 10-30 120 1,0 — Тип 4 (НО) Тип 4 (НЗ) «Samson» 15...50, 15...250 — Установка на задатчике термостата 350 1,6; 4,0 3,0 Тип 43 «Samson» 15... 250 4-500 0-35, 5-70, 40-100, 50-120, 70-150 200 2,5 5
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 33 1.2. Приборы для измерения расхода Измерение расхода и учет жидких, газообразных, а также сыпучих сред всегда являлось актуальной задачей применительно к различным сферам деятельности человека2. В последние годы актуальной задачей стало точное измерение расхода в нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой и др. отраслях промыш- ленности. Расходом вещества принято называть количество вещества, прошедшее через определенное сечение (трубопровод) в единицу времени. Объемный расход измеря- ют в м3/с (м3/ч, л/ч), массовый в кг/с (кг/ч). Приборы, измеряющие расход, называ- ются расходомерами. В последние годы наибольшее применение в промышленности находят массовые расходомеры, учитывающие температуру и плотность, а при измерении расхода газа плотность и влагосодержание газа. Из методов и средств измерения расхода получили распространение следующие типы расходомеров: • электромагнитные; • ультразвуковые; • кориолисовые; • вихревые; • переменного перепада давления на сужающем устройстве (диафрагма, сопло, труба Вентури); • тепловые; • скоростного напора. Методы и приборы для измерения расхода жидких и газообразных сред приведе- ны в работах [1.19-1.39]. Основное внимание уделено методам и приборам с унифи- цированным выходным аналоговым или цифровым сигналами. В настоящее время большое применение в технике точного измерения расхода находят бесконтактные расходомеры, т. е. расходомеры, чувствительные элементы которых (сенсоры) не контактируют напрямую с измеряемой средой, а также рас- ходомеры, обеспечивающие высокую точность измерений расхода, стабильность и воспроизводимость показаний. Помимо краткого рассмотрения основных методов и приборов для измерения расхода основное внимание уделено бесконтактным и относительно новым типам расходомеров (ультразвуковым, кориолисовым, вихревым и др.), которые имеют унифицированный аналоговый или цифровой выходной сигнал. 2 Впервые зависимость динамического давления (напора) от скорости потока (расхода) использовал в 1732 г. французский инженер А. Пито. В середине XVIII века Д. Бернулли разработал законы механики жидких и газообразных тел. В 1883 г. английский физик О. Рейнольдс, исследуя течение вязкой жидко- сти, установил так называемое число Рейнольдса (Re), зависящее от плотности (р), вязкости (р), скорости вещества (г) и размеров сечения трубопровода^: Re = pvl I р. При Re < 2000...2200 имеем ламинарное течение, при больших значениях — турбулентное. В 1831 г. английским физиком М. Фарадеем открыта электромагнитная индукция, основные законы которой получены английским физиком Д. К. Максвеллом в 1873 г. и в дальнейшем легли в основу теории электромагнигных расходомеров. Французским ученым Г. Кориолисом открыт эффект, согласно которому во вращающейся системе отсчета материальная точ- ка, движущаяся не параллельно оси вращения, отклоняется в направлении, перпендикулярном ее отно- сительной скорости. Произведение массы точки на кориолисовое ускорение определяет кориолиса силу, направленную противоположно этому ускорению. Кориолиса сила и ускорение (поворотное ускорение) используются в кориолисовых расходомерах. 2 Зак. 3801
34 ГЛАВА 1 1.2.1 Электромагнитные (магнитно-индукционные) расходомеры Электромагнитный расходомер (рис. 1.12) основан на использовании закона электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому в проводнике, движущем- ся в магнитном поле, наводится ЭДС (£), пропорциональная скорости потока. Рис. 1.12 Е = К В • v • d, где К — коэффициент пропорциональности (постоянная сенсора); В — магнитная индукция между полюсами катушек; v — скорость потока жидкости; d — внутрен- ний диаметр трубопровода. Роль проводника в данном случае играет электропроводящая жидкость. Конструк- тивно расходомер состоит из специальных катушек, расположенных с разных сторон измерительного участка трубы, и минимум двух электродов, установленных внутри или вне измерительного участка трубы. Напряжение, на- водимое движущейся в магнитном поле электропро- водящей жидкостью, воспринимается измерительны- ми электродами и преобразуется электронной схемой с большим входным сопротивлением в выходной сиг- нал для отображения значения расхода на дисплее и (или) передачи к контроллеру (компьютеру). За счет создания пульсирующего электромагнит- ного поля снижаются погрешности от амплитудных факторов, состава вещества, низкой электропровод- ности жидкости. К достоинствам электромагнитных расходомеров также относятся высокое быстродействие и независимость показаний от характера потока жидкости (ламинарный, турбулентный). Внутренняя поверхность трубы (или специальная вставка) выполняется из не- проводящего материала, в качестве которого используются фторопласт, керамика, полиуретан. Измерительные электроды изготавливаются из нержавеющей стали, ти- тана, тантала или платины. Электромагнитные расходомеры используются для измерения расходов воды, кис- лот, щелочей, суспензий, сточных вод с электропроводностью более 1 мкСм/см. По- грешность измерения электромагнитных расходомеров составляет от ±0,5 до ±1%. Преимущества электромагнитных расходомеров: • работа в широком диапазоне температур, вязкости, плотности, давления и элек- тропроводимости; • отсутствие контакта с измеряемой средой без потери давления; • возможность измерения без помех жидкости со взвешенными частицами или пузырьками газов; • большой диапазон диаметров трубопроводов (от 2 до 2600 мм); • большой динамический диапазон измерений и линейность показаний; • высокая точность, надежность и простота эксплуатации. Ряд электромагнитных расходомеров имеют дополнительные функции: • представление результатов в различных единицах на 2.. .4-строчном дисплее; • самодиагностика и электрическая самоочистка электродов; • возможность сохранения результатов измерения, калибровки в ПЗУ и др. В табл. 1.20 представлены технические характеристики электромагнитных рас ходомеров.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 35 Таблица 1.20. Технические характеристики электромагнитных расходомеров. Тип Исполнение Д>»мм Расход, м3/ч Миним. прово- димость среды, мкСм/см Давление среды, МПа Температура среды, °C Выход Взлет ЭР (ЗАО «Взлет») ЭРСВ-410 -510 10 20 32 40 50 65 80 100 150 200 0.028... 3,4 0,113... 13,58 0.290...34,78 0,453...54,34 0,708...84,9 1,196... 143,5 1,811...217,3 2,83 ...339,6 6,37...764,1 11,32... 1358 5 2,5 150 4...20 мА, RS-232 Proiine Promag (Endress +Hauser GmbH) Датчики: Promag W Promag U Promag H Promag S Преобр-ли: Promag 10 Promag 23 Promag 35S Promag 50/53 25...2000 15...600 2... 100 15...600 0,005...113000 0,005...10200 0,005...2000 0,005...10200 5 5; 50 5; 50 1 4 4 4; 1,6 4 80 180 180 130 4... 20 мА, HART, Profibus РА/DR FF ADMAG (Yokogawa) ADMAG -CA -AXF 15... 100 2,5...400 Скорость пото- ка до 10 м/с 0,01; >1,0 4 -40...+180 4...20 мА, HART SITRANS FM (Siemens) Датчики: -711/A; -711/E; 911/E 15...2000 15...2000 15...600 Скорость потока 0,25... 12 м/с 3 3 (пост, поле); 0,01 (перем, поле) 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 по заказу 60 4...20 мА, HART Profibus PA Преобр-ль: • Transmag; • Intermag2 ПРЭМ (ЗАО «Тепло- ком») Мод. 3 15 20 25 32 40 50 80 100 150 0,007...6,7 0,012... 12 0,018...18 0,03... 30 0,045 ...45 0,07... 72 0,18... 180 0,28 ... 288 0,63... 630 1 1,6 150 4...20 мА, RS-485 1.2.2 Ультразвуковые расходомеры Принцип действия ультразвукового расходомера (рис. 1.13) основан на зависи- мости разности времени прохождения сигналов ультразвуковой частоты (20 кГц. и более), направленных одновременно (или попеременно) в направлении потока и против него, от скорости потока, т. е. от объемного расхода. Скорость распространения ультразвуковых колебаний в измеряемой среде (V) связана со скоростью измеряемого потока (vcp) равенством:
36 ГЛАВА 1 Рис. 1.13 v=Qi + % где Со — скорость звука в данной среде (для жидкости Со = 800...2000 м/с, для газа и пара от 150 до 1000 м/с, для твердых тел от 2000 до 6000 м/с). Время прохождения колебаний по потоку (/J и про- тив потока (12) равны: G = L / (Со + vcp); t2 = LI (Co - vCp), где L — длина участка между датчиком и приемником уль- тразвуковых колебаний. Приравняв скорость звука в этих уравнениях найдем скорость потока г'ср: % = L • (/2 - /J/ 2 t2. Датчики расходомера могут быть накладные, врезные, устанавливаемые относи- тельно оси трубопровода по диаметру или хорде, в контакте или без контакта с из- меряемой средой. Расходомер имеет одну пару датчиков, устанавливаемых под углом, или две пары датчиков, устанавливаемых одна по направлению потока, а другая - против потока. Измерительный участок расходомера представляет собой врезку, монтируемую на трубопроводе, или устанавливаемую на байпасе. Измерительный преобразователь может находиться на расстоянии от 30 до 250 м от датчика (в за- висимости от типа расходомера). В качестве материала датчиков (пьезоэлементов) используется титанат бария. В табл. 1.21 приведены технические характеристики ультразвуковых расходоме- ров. Таблица 1.21. Характеристики ультразвуковых расходомеров Тип Исполнение Число каналов измерения ДУ.ММ Скорость потока, м/с Давление среды, МПа Температура среды, °C Выход Взлет-МР УРСВ-510 1 10...5000 0,1...20 2,5 160 4...20 мА, (ЗАО «Взлет») -520 2 10...5000 0.1...20 RS-232 / -530 3 10...5000 0,1...20 RS-485 -540 4 10...5000 0,1...20 УРСВ-110 1 10...4200 0,1...12 Proline Prosonic Prosonic Flow — 4...20 мА, Flow W 1 50...4000 0...15 80 ОК (Endress+ Hauser P 1 50...4000 0...15 170 GmbH) u 1 15...100 0...10 80 c 1 300...2000 0...10 60 SITRANS — м3/ч: — FUS 1 25 17 180 4...20 мА; (Siemens) 50 70 HART; 80 180 ProfibusPA; 100 300 ОК; СК ULTRAHEAT 2WR Исполнение 5 1 0,6...60 м«ч: 16; 25 150 Импульсный (LANDIS&GYR) 6 3,5/6/10 7 UFM 005 ПП14 1 20... 1600 3,6...36 200 1,6; 2,5 150 RS-232 («Теплоприбор») ПП15 1 35... 36 200 ПП18М 1 15...90 пшои 1 24... 36 200
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 37 К достоинствам ультразвуковых расходомеров относятся: • неконтактность измерения сред, в том числе агрессивных или находящихся под высоким давлением; • независимость результатов измерения от температуры, давления, вязкости, элек- тропроводимости; • большой диапазон диаметров трубопроводов (от 15 до 4000 мм и более); • надежность, точность, минимальные затраты на обслуживание и ремонт. 1.2.3 Кориолисовые расходомеры Кориолисовые расходомеры относятся к расходомерам массового расхода (с од- новременным измерением объемного расхода, плотности и температуры). Принцип действия кориолисового расходомера основан на измерении силы Кориолиса, воз- никающей при движении измеряемой среды в трубках первичного преобразователя, колеблющихся в противофазе с резонансной частотой, пропорциональной массе и скорости потока (рис. 1.14). Частота колебаний трубки первичного преобразовате- ля зависит от формы, материала и массы трубки, которая складывается из массы самой трубки и массы вещества, расход которого измеряется. Масса вещества равна произведению объема трубки на плотность вещества. При постоянстве объема трубки частота колебаний опре- деляется плотностью вещества с учетом его температуры, измеряемой термодат- чиком. К краям одной трубки расходо- мера прикреплены катушки-соленоиды, к краям другой — постоянные магниты. За счет колебаний трубок относительно друг друга в противоположных направле- ниях под действием задающей катушки, в катушках-соленоидах (движущихся в магнитном поле) генерируются синусои- дальные колебания (рис. 1.14, а, б). Когда расход вещества отсутствует, сигналы от двух катушек-соленоидов со- впадают по фазе. При наличии расхода в результате эффекта Кориолиса различные участки трубки изгибаются относительно друг друга, что приводит к фазовому сдви- гу колебаний по длине трубки. Временной промежуток фазового сдвига, измеряемый микросекундами, прямо пропорционален массовому расходу. Сенсор преобразует этот сигнал в аналоговый или частотно- импульсный выходной сигнал. Измерение плотности в кориолисо- вом расходомере производится на осно- потока Рис. 1.14
38 ГЛАВА 1 вании соотношения массы и частоты колебаний трубки. При увеличении массы трубок с измеряемой средой собственная частота колебаний трубок уменьшается и наоборот. Измеряя период колебаний, который обратно пропорционален частоте, су- дят о плотности вещества. На рис. 1.14, в показан общий вид расходомера. В табл. 1.22 представлены техни- ческие характеристики кориолисовых расходомеров. Таблица 1.22. Характеристики кориолисовых расходомеров Тип Модель Ду. мм Массовый расход жидкости, т/ч Давление среды, МПа Температура среды, °C Выход Proline Датчики: Promass 80,83 Promass 8x F 8,15,25,40, 50, 800 10 -50...+200 4...20 мА, (Endress+ 80,100,150 HART, ОК, Hauser GmbH) Promass 8x M 8,15,25,40,50, 180 35 50...+150 Profibus РА 4...20 мА, 80; HART, ОК, Promass 8x I 8,15,25,40,50; 70 10 -50...+150 Profibus РА или Promass 8x H 8,15, 25,40,50; 45 4 -50...+200 FF Promass 8x E 8,15, 25,40,50; Promass 8x A 1,2, 4; 450 кг/ч 40 -50...+200 Преобразователи: Promass 80 Promass 83 Proline Датчик: Кг/ч: Promass 40E Promas E 8 0...2000 10 -40...+125 (Endress+ 15 0...6500 Hauser GmbH) 25 0... 18 000 40 0...45000 50 0... 70 000 Преобразователь; 4. ..20 мА, HART, Promass 40 ОК Метран-360 Кг/ч: 30 -40...+150 (Emerson 1700 15 3...1360 4...20 мА Process 8...2450 Management и 2700 25 33... 16 325 4...20 мА ГК «Метран») 1FT 9703 50 33..11161 87...43 550 4...20 мА, 87...31980 HART Micro Motion Датчик: Мод. 2000: (Emerson ELITE (CMF) 3...150 28... 108654 15 -40...+200 2х(4...20мА) Process F 6...75 378... 12 300 10 -50...+180 HART, OK, RS- Management, H 6...75 177...7611 10 -50...+180 485, Profibus, FF. США) л/ч: Мод. 1000: T 6...50 680...87 000 10 2х(4. ..20 мА) D 3...150 680...680 400 15; 40 HART. RS-485 DT 6...40 8160...38 100 60 -50...+420 Мод. 3000: Преобразователь: 2х(4...20мА) 2000 HART, RS-485, 1000 OK 3000
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 39 1.2.4 Вихревые (вихреакустические) расходомеры Принцип действия вихревого расходомера (рис. 1.15) основан на измерении па- раметров вихревой дорожки Кармана, образующейся в виде завихрений потока при обтекании средой вихревого тела (призмы трапецеидальной формы или др. типа). На гранях вихревого тела обтекания чередующиеся вихри создают перепады давления на его поверхности. Число перепадов давления в единицу времени и частота завих- рений прямо пропорциональны скорости потока, т. е. объемному расходу. Частота импульсов преобразуется емкостным или ультразвуковым преобразователем в вы- ходной сигнал. При наличии температурного датчика измеряется также массовый расход. Измерительная система расходомеров Prowirl состоит из проточной камеры, в которую помещен завихряющий барьер со встроенным в него язычковым сенсором. Одним концом сенсор прикреплен к емкостному или пьезоэлектрическому датчику. Поток рабочего вещества, огибая завихряющий барьер, создает вихревые вибрации язычкового сенсора. Частота этих вибраций F прямо пропорциональна скорости по- тока V, ширине барьера d рабочего вещества: F=St-v/d, где St — число Страуда. Данное уравнение справедливо для измерения расхода газов, пара, низко- вязких жидкостей (число Рейнольдса Re > 4000). Микропроцессорный модуль расходомера измеряет частоту вихревых вибраций и вычисляет объемный расход вещества. К основным достоинствам вихревых расходомеров относятся: • возможность измерения расхода жидкостей, пара и газов; • независимость измерений от колебаний температуры, давления, вязкости среды; • возможность измерений при высоких температурах среды (до +400 °C); • высокая стабильность и простота эксплуатации; • высокая надежность, в том числе при наличии вибраций. В табл. 1.23 приведены основные технические характеристики вихревых расходо- меров. Однолучевой преобразователь Ду 25-200 мм А-А а Рис. 1.15
40 ГЛАВА 1 Таблица 1.23 Характеристики вихревых расходомеров Тип Ду, мм Расход, м3/ч Давление среды, МПа Темпе- ратура среды,°C Погреш- ность, % Выход Воздух Пар Вода 8800 (ГК «Метран» и Emerson Process Management} 15 25 40 50 80 100 150 200 От 1,4...769 до 39,4... 8853 Кг/ч: от 6,7...4094 до 54,6... 157453 От 0,41...27 до 5,38...885 3,5 -40... +230 ±0,65 — жидк.; +1,35 — пар,газ 4...20 мА, HART, 0... 10 кГц Метран-ЗООПР (ГК «Метран» и Emerson Process Management) 25 32 50 80 100 150 200 250 300 0,18...9 0,25...20 0,4...50 1...120 1,5...200 5...400 6...700 12...1400 18...2000 1,6 0... +150 +1,0 4... 20 мА, RS-485, СК Proline Prowirl (Endress+ Hauser GmbH) Prowirl F 15...300 Prowirl W 15...150 Prowirl H 15...150 До 75 м/с До 75 м/с До 9 м/с 25 -120... +400 ±0,75 - ЖИДК.; ±1,0- пар, газ 4...20 мА, HART, Profibus РА V-BAR мод. 600: мод. 700: (EMCO, США) 76... 500 75...2000 Да Да Да Да Да 0,9 130 -40...200 -10...260 1%- жидк.; 1,5%— пар, вода 4...20 мА, 0... 10 кГц, ЖКИ 1.2.5 Расходомеры на принципе перепада давлений Расходомеры данного типа, получившие наибольшее распространение, основа- ны на зависимости перепада давлений до и после сужающего устройства, установ- ленного в трубопроводе (рис. 1.16). Как известно, согласно уравнению Бернулли энергия движущейся среды вклю- чает статическую энергию (давление) и кинетическую (энергию движения). При су- жении трубопровода скорость потока увеличивается, а статическое давление в суженом потоке уменьшается. Перепад давлений (высокого до сужения и низкого по- сле) является мерой расхода. Из сужающих устройств наибольшее применение находят диафрагмы и сопла. Стандартная диафрагма представляет собой тонкий металлический диск с кони- ческим отверстием, острая кромка которого направле на навстречу потоку (для измерения расхода потоков с разных сторон трубопровода используются диафрагмы с цилиндрическим отверстием). Диафрагмы применя- ются для диаметров трубопроводов D >50 при 0,05 < т Рис. 1.16 < о,7, где т — модуль сужающего устройства, равный
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 41 отношению площади поперечного сечения диафрагмы с диаметром отверстия d к площади поперечного сечения трубопровода с диаметром D(m = d2/D2) и при числах Рейнольдса примерно от 104 до 106 . Толщина диафрагмы b относительно внутренне- го диаметра трубопровода D составляет величину: b < 0.1D. Как правило, диафраг- мы устанавливаются в трубопроводы с внутренним диаметром не менее 50 мм. По конструкции диафрагмы бывают камерными и бескамерными. Камерные диафрагмы позволяют повысить точность измерения перепада давлений и несколько сократить длину прямых участков трубопровода до и после диафрагмы. Материал диафрагмы должен быть химически- и износостойким. В практике для этих целей используется нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т и др. К достоинствам диафрагмы относят ма- лые габариты, простоту замены, низкую стоимость, к недостаткам — потерю давле- ния, изнашиваемость и засоряемость. Стандартное сопло применяется для трубопроводов D > 50 мм при 0,05 < т < < 0,65. Сопло имеет со стороны входа профильное конусообразное отверстие, пе- реходящее на выходе в цилиндрическую форму с острой выходной кромкой. Наи большее применение нормальное сопло находит при измерении расхода газов и пара при диаметрах трубопровода примерно до 200 мм. К достоинствам сопла относят меньшую потерю напора и меньшую засоряемость по сравнению с диафрагмой. Не- достаток — сложность изготовления, ограничение диаметров трубопровода и более высокая стоимость. Сопло (труба) Вентури представляет собой устройство, в котором поперечное се- чение сопла постепенно сужается, а затем плавно увеличивается до первоначального диаметра. Угол конусности трубы Вентури а составляет величину 10 °< а <30 °. Труба Вентури применяется для измерения расхода агрессивных жидкостей и суспензий, например, пульпы (смесь воды с песком). Достоинства трубы Вентури: малые поте- ря давления и износ, достаточно высокая точность; недостатки — большие размеры, трудность монтажа, более высокая стоимость. Перепад давлений на сужающем устройстве преобразуется в унифицированный выходной сигнал с помощью измерительных преобразователей различного типа. В качестве чувствительных элементов преобразователей используются мембрана, сильфон. В последние годы наибольшее применение получили тензорезистивные и емкостные чувствительные элементы (сенсоры), как имеющие более высокие точ- ностные характеристики. Принцип действия тензорезистивного (пьезорезистивного) сенсора заключает- ся в том, что под действием разности давлений происходит микроизгиб пластинки (мембраны) с пьезорезисторами, включенными в мостовую схему. В результате тензорезистивного эффекта изменяется сопротивление пьезорези- сторов. Изменение сопротивления, пропорциональное перепаду давления, преобра- зуется электронной схемой в выходной токовый сигнал 4...20 мА или в цифровой сигнал (HART, RS-485). Пьезорезистивные преобразователи рассмотрены в п. 1.3. Принцип действия емкостного датчика состоит в том, что давление от раздели- тельных мембран, установленных со стороны высокого и низкого давлений, пере- дается через разделительную жидкость на мембрану, отклонение которой вызывает изменение емкостного сопротивления сенсора. На рис. 1.16 представлен измерительный преобразователь перепада давлений Deltatop DPO12 фирмы Endress+Hauser. В табл. 1.24 приведены технические характе- ристики преобразователей перепада давлений.
42 ГЛАВА! Таблица 1.24. Характеристики преобразователей перепада давлений Тип Модель Диапазон перепада давлений, кПа Давление среды, МПа Температура среды, °C Погреш- ность, % Выход 3051С (ГК-«Метран») CD 0,025...13800 25 -40...+120 +0,075 4...20 мА, HART, FF Метран-100-ДД (ГК «Метран») 1410 1430 1450 1496 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4. 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63. 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6 МПа. 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630. 0,1 25 25 16 -40...+120 +0,1 4...20 мА, HART, RS-485 Метран-43Ф-ДД- 3494 (ГК «Метран») — 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 4 -40...+120 +0,5 0...5, 0/4...20 мА SITRANSP серия DSIII (Siemens) 7MF 4433 0,0145...0,29 0,0145...0,87 0,036...3,63 0,087...8,7 0,23...23,3 0,73...72,5 4,35...435 3,2 16 16 16 16 16 16 -40...+100 ±0,2 HART, Profibus РА DeltabarS (Endress+ Hauser GmbH) PMD75 От 0... 100 Па до 0.. .4 МПа 4 -40...+120 +0,2 4...20 мА 1.2.6 Расходомеры постоянного перепада давлений К расходомерам постоянного перепада давлений относят ротаметры и поплавко- вые расходомеры. Рис. 1.17 Ротаметр (рис. 1.17) состоит из стеклянной ко- нической трубки (в основном из боросиликатного стекла), плавно расширяющейся к верхней части, поплавка из алюминия, нержавеющей стали или фторопласта, защитной арматуры с фланцами для присоединения к трубопроводу (строго вертикаль- но). Поплавок, свободно перемещающийся внутри трубки, имеет в верхней части канавки, расположен- ные под углом, для придания поплавку вращатель- ного движения и самоцентрирования его в трубке. Поплавок находится в равновесии на различной высоте при соблюдении равенства сил, действующих сверху и снизу поплавка. Сверху вниз действует сила тяжести по- плавка Gn, а снизу вверх — сила гидродинамического напора F: Gn = p-g-V-, F=P-S, где р — плотность материала поплавка; g — ускорение свободного падения; V — объем поплавка; Р — давление на нижнюю плоскость поплавка; S — площадь по- перечного сечения поплавка. При равенстве G = F поплавок устанавливается на разной высоте (при разной величине площади кольцевого сечения между поплавком и стенкой трубки). Для гра- дуировки ротаметров применяются вода и воздух. Измеряемый расход Q равен:
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 43 Q = а • \ - К, где а — коэффициент расхода (определяется экспериментально); SK — площадь коль- цевого сечения; К — постоянный коэффициент, определяющий объем и площадь по- перечного сечения поплавка, плотность среды и др. факторы. Ротаметры применяются для визуального местного контроля расхода газа или жидкости. Также имеются ротаметры с магнитным поплавком, у которых на разной высоте могут располагаться контакты (НО или НЗ). Диапазон измерений ротаметрами для жидкости составляет от 0,1 л/ч до 25 м3/ч, для газов от 1,6 л/ч до 400 м3/ч. Рис. 1.19 Поплавковые расходомеры, использующие тот же принцип измерения, снабже- ны устройствами электрической или пневматической дистанционной передачи по- казаний. В первом случае поплавок жестко связан с плунжером дифференциально- трансформаторной катушки, во втором случае — перемещение поплавка с помощью магнитной муфты передается на элемент сопло-заслонка пневмопреобразователя. Выходное давление пневмопреобразователя в диапазоне 0,02....0,1 МПа поступает к измерительному преобразователю. На рис. 1.18 представлены ротаметры с дис- танционной передачей показаний типа РЭ (пыле- брызгозащищенное исполнение по ГОСТ 13045- 81) и РЭВ (взрывозащищенное исполнение по “ ГОСТ 12.2.020). На рис. 1.19 показан ротаметр с пневматической передачей и местной шкалой по- казаний типа РП, РПФ, РПО по ГОСТ 13045. j В табл. 1.25 приведены основные технические характеристики расходомеров постоянного перепада давлений. Рис. 1.18 Таблица 1.25. Характеристики расходомеров постоянного перепада давлений Тип Верхи, предел измерений, м3/ч Д,.> мм Давление среды, МПа Температура среды, °C Погрешность, % Жидкость Газ Арзамасский приборостроительный завод РМ-0.16ЖУЗ 0,16 — 15 0,6; 1,6; 6,4 +5...+50 ±2,5 РМ-1,6 ЖУЗ 1,6 — 40 РМ-6,3 ГУЗ 1,6 — 40 РМ-40ГУЗ — 6,3 15 РМФ-1,6ЖУЗ — 40 40 -30...+100 РМФ-40 ГУЗ — 40 40 РЭ-0.063ЖУЗ 0,063 — 10 -40...+70 +2,5 РЭ(РЭВ)-0,4ЖУЗ 0,4 — 15 РЭ(РЭВ)-4ЖУЗ 4 — 40 РЭ (РЭВ)-16 ЖУЗ 16 — 100 Шатковский приборостроительный завод РП-0,63 ЖУЗ 0,63 — 25 6,4 -10...+50 ±2,5 РП-2,5 ЖУЗ 2,5 — 40 РП-ЮЖУЗ 10 — 70 РП-25 ЖУЗ 25 — 100 РП-63ЖУЗ 63 — 150 Sitrans F VA Trogflux 12,5 л/ч... 200 л/ч... 20; 32; 63 1,0 -10...+60 ±2,5 (Sieznens) 25 м’/ч 430 м3/ч
44 ГЛАВА 1 1.2.7 Тепловые расходомеры Принцип действия тепловых (калориметрических) расходомеров основан на за висимости разности температур двух термодатчиков, одного — опорного, измеряю- щего температуру среды, второго — подогреваемого и поддерживающего эту раз- ность температур постоянной, от расхода. Чем больше расход, тем больше охлажде- ние подогреваемого термодатчика и тем больше энергии требуется для поддержания заданной разности температур. Таким образом, ток в цепи подогрева термодатчика является функцией расхода, а сама величина расхода обратно пропорциональна раз- ности температур Q = VS> где Q — величина расхода, Уср — средняя скорость потока, S — площадь поперечного сечения канала (внутренний диаметр трубопровода). По классификации, изложенной в работе [1.26], данный тип измерительного пре- образователя может быть отнесен к стержневому типу. Известны неконтактные тер моконвективные тепловые преобразователи трубчатого типа, в которых термодатчи- ки располагаются снаружи трубопровода [1.25]. Зависимость массового расхода QM от разности температур двух термодатчиков At определяется зависимостью QM=0,24PR/k-cp- At, где 0,24 PR — теплота электронагрева; ср — удельная теплоемкость среды; к — по- правочный коэффициент. Если R, ср и At = const, то QM =f(P). В то же время если поддерживается постоян ной мощность, подводимая к подогреваемому термодатчику, т. е. если Р R = const, то QM=/(A0. Термодатчики (используются платиновые термометры сопротивления) включа- ются в два плеча мостовой схемы. Двумя другими плечами мостовой схемы являются постоянные (подстроечные) резисторы. В табл. 1.26 приведены технические характеристики тепловых расходомеров. Таблица 1.26. Характеристики тепловых расходомеров Тип Модификация Ду, мм Диапазон расходов, м/с Температура среды, °C Погрешность, % Выход ST50 ST75 ST98 (Fluid Components Inti.) Погружной Проточный Погружной и проточный 50 6...50 65 0,25...150 0,1... 1500 0,2...210 120 +2 4...20 мА 260 ±1 t-mass AT70 t-mass AT70F t-mass AT70W (Endress+Hauser GmbH) Погружной Проточный Проточный 80... 1000 15...150 25...100 0...70 0...70 -10...+100 ИРГ-10 -100 -1000 (ОАО «Цвет») Проточный — 10; 100; 1000 мл/мин 100 ±2,5 Дисплей
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 45 К достоинствам тепловых расходомеров относят: • высокую точность измерения массового расхода (±0,5...1%); • большой динамический диапазон измерения (100:1); • возможность измерения малых расходов; • большой диапазон диаметров труб (от 40 до 2000 мм); • высокую надежность, простоту эксплуатации. Преимущественное применение тепловые расходомеры нахо- дят для измерения расхода газов. На рис. 1.20 показан общий вид теплового расходомера t-mass АТ 70 F фирмы Endress+Hauser. Рис. 1.20 1.2.8 Скоростные (турбинные) расходомеры Принцип действия скоростных расходомеров основан на зависимости частоты вращения турбины (ротора), установленной в потоке жидкости, от объемного рас- хода. В табл. 1.27 приведены технические характеристики скоростных расходомеров. Таблица 1.27. Характеристики скоростных расходомеров Тип Модель Ду, MM Диапазон расходов, м3/ч Давление среды, МПа Температура среды, "С Максим, частота, Гц 7000 (Barton Instruments Systems) 71xx 8 10 20 40 80 100 200 300 0.057...0,681 0,114.-1,363 0,341-7,95 1,136.-36,34 4,542.-198,3 11,36-354,31 43,15-1533 97,66-3407 69 -200...+230 2040 1550 1500 823 816 625 333 320 73xx 80 100 200 300 400 500 600 6,360.-198,73 14,31-353,63 54,1-1533,1 122,4- 3406,9 207...5451 334...8346,8 477... 12038 34,5 277 495 1030 955 720 1165 1290 PCT с пребразователем ТПР (ОАО «Арзамасский приборостр. з-д») — 4; 6; 10; 12; 15; 20; 25...100 0,003.-60 л/с 20; 40 -200...+200 6...250; 20... 500 ПРМТ («Теплоком») — 32; 50; 100 1-100 1,6 +4...+150 — ЛГ-80, -100,-150, -200 («Промприбор») — 80; 100; 150; 200 16... 1600 (газ) 10 0...+100 — 8035 («Burkert Easy Control Systems») — 15...600 0,1... 10 м/с 2,5 0...+100 — При прохождении каждой лопаткой турбины мимо индукционного датчика фор- мируется импульс синусоидальной формы с частотой, пропорциональной расходу. Объемный расход Q пропорционален частоте вращения ротора/и площади по- перечного сечения потока S:
46 ГЛАВА 1 где / — частота вращения ротора, пропорциональная сред- ней скорости потока vcp; /= к vcp; к — коэффициент про- ________________порциональности, учитывающий гидромеханические свой- ( /я ства датчика. На рис. 1.21 показан общий вид счетчика холодной (го- рячей) воды «Метран-Бетар». Основные требования, предъявляемые к конструкции расходомера, касаются высокого качества подшипников, Рис. 1.21 £ конструкции и выбора материала ротора, химической стой- кости к различным средам и др. Для стабилизации потока жидкости перед ротором устанавливаются струевыпрямители (пластины) и диффу- зоры, а участки трубопровода длиной от 10D до 5D должны быть прямыми. По характеру расположения лопаток турбины расходомеры подразделяются на винтовые и крыльчатые. Лопасти винтовой турбины, укрепленной на горизонталь- ной оси, изогнуты по винтовой линии, а лопатки крыльчатой турбины расположены под углом к направлению потока. Угол наклона лопаток может быть изменен в зависи- мости от диапазона расходов и диаметра трубопровода. Для предохранения расходо- мера от посторонних примесей перед ним устанавливаются фильтры. Электронный блок, служащий для пересчета частоты импульсов в значение расхода, может рас- полагаться как непосредственно на датчике (допустимая температура -4О...+7О°С), так и на расстоянии от датчика (до 200 м). Максимальная точность измерения рас- хода скоростными расходомерами составляет ± 0,1.. .0,5%. Преобразователи типа ТПР Арзамасского приборостроительного завода вы- пускаются с магнито-индукционным генератором (МИГ) для преобразования частоты вращения турбинки в частотный сигнал синусоидальной формы или с усилителем-формирователем (УФ) для преобразования вращения турбинки в сиг- нал прямоугольной формы. Погрешность преобразования ±1%. 1.2.9 Датчики контроля расхода (потока) Датчики контроля потока или датчики протока предназначены для контроля на- личия потока жидких и газообразных веществ. Примером использования датчиков протока может служить контроль наличия воды охлаждения в технологических уста- новках или контроль воздушного потока в воздухопроводах и т. п. Принцип действия датчиков контроля потока основан на калориметрическом методе отвода тепла контролируемой средой. Устройство включает два терморези- стора, включенных в измерительный мост. Один из терморезисторов находится в термическом контакте со встроенным нагревателем, т. е. является подогреваемым терморезистором. Второй терморезистор измеряет температуру среды. Движущийся поток отводит тепло от подогреваемого терморезистора и выходное напряжение из- мерительного моста изменяется пропорционально изменению скорости потока, вос- станавливая равновесие моста. Конструктивно датчики делят на проточные и погружные, устанавливаемые на горизонтальных или вертикальных участках трубы. Погружные датчики устанавли- ваются, как правило, на трубопроводах большого диаметра. Выбор датчика контроля потока зависит от расхода (л/мин или м3/ч) или скорости потока (м/с) и внутренне- го диаметра трубопровода. Так, при расходе воды в диапазоне от 0,01 до 30 л/мин для трубопроводов диаметром от 6 до 25 мм скорость потока составит 0,01...1 м/с,
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 47 а при расходе от 0,1 до 5000 м3/ч для трубопроводов диаметром от 25 до 500 мм ско- рость потока составит 0,01. ..1,5 м/с. Для воздуха скорость потока при тех же рас- ходах составит для трубопроводов от 6 до 25 мм от 2 до 20 м/с, а для трубопроводов 25... 500 мм от 0,5 до 30 м/с. Датчик контроля потока используется в комплекте с оценочным модулем, кото- рый устанавливается на расстоянии от датчика или может располагаться в общем корпусе. С помощью потенциометров модуля осуществляется настройка на рабочий диапазон датчика, теплопроводность контролируемой среды и точку переключения (граничное значение скорости потока). Состояния выходов отображаются с помо- щью светодиодов. 1.2.10 Расходомеры и дозаторы сыпучих материалов Классификация и описание принципа действия расходомеров сыпучих веществ приведены в работах [1.20,1.40-1.46]. Сыпучие материалы различаются размерами и формой частиц, а также грану- лометрическим составом, т. е. содержанием в сыпучем материале частиц различной крупности. Также сыпучие материалы характеризуются показателями пористости и влажности. Пористость материала определяется процентным отношением объема пор и свободного пространства между частицами к общему объему сыпучего мате- риала. Заполнение этих пространств влагой характеризует влажность сыпучего ма- териала. Процентное содержание влаги в сыпучем материале может достигать до 20 и более процентов. Известны следующие методы измерения расхода сыпучих веществ: весовой, динамически-весовой, силовой, тахометрический, радиоизотопный, электромаг- нитный и др. [1.20]. Наибольшее применение находят весовые методы измерения расхода. Динамически-весовой метод основан на зависимости величины давления потока сыпучего материала на подвижный лоток от расхода. Последний под действием пото- ка сыпучего материала смещается, преодолевая сопротивление пружины. Величина смещения лотка является функцией расхода. Силовой метод измерения основан на придании потоку сыпучего материала кориолисового ускорения. Поток сыпучего материала направляется на радиальные лопатки диска, который вращается электродвигателем. Момент на валу двигателя яв- ляется функцией массового расхода. Тахометрический метод основан на зависимости скорости вращения турбинки, крыльчатки или др. тела, вращающегося под действием потока материала, от расхода. Ось крыльчатки может совпадать с направлением потока (крыльчатка винтовой фор- мы) или быть перпендикулярна направлению потока (крыльчатка лопастного или ковшового типа). Как правило, турбинные расходомеры с крыльчаткой устанавлива- ются на вертикальных трубопроводах диаметром порядка 250 мм. Ионизационный метод основан назависимости степени поглощения у-излучения, прошедшего через слой сыпучего материала, от расхода. При изменении расхода сы- пучего материала, движущегося по наклонному трубопроводу, изменяется толщина просвечиваемого слоя, что приводит к изменению поглощения у-излучения.‘ Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии высокочастотного электромагнитного поля с частицами материала, сигнал от кото- рых отражается и измеряется его частота и амплитуда. В зависимости от модифика-
48 ГЛАВА 1 ции прибора возможно измерение расхода сыпучего материала с размером частиц от десятых долей миллиметра до 200 мм и более. На весовом методе измерения основаны автоматические весы периодического или непрерывного действия. К автоматическим весам периодического действия от- носятся ковшовые весы, а к автоматическим весам непрерывного действия — кон- вейерные (ленточные) весы. Ковшовые автоматические весы работают на принципе периодического запол- нения и опорожнения. Конструктивно эти весы представляют собой опрокидываю- щийся или поворотный ковш, а также ковш с откидным дном. Более подробные све- дения об этих весам можно найти в работе [1.40]. Конвейерные весы находят широкое применение в горнодобывающей, металлур- гической, химической промышленности, строительной индустрии и в др. отраслях промышленности и сельского хозяйства. Конвейерные весы используются для про- ведения учетных и технологических операций при приеме, дозировании и отпуске продукции различного назначения. К учетным операциям относят взвешивание и дозирование, а к технологическим — прием, транспортировку и отгрузку материа- лов. В большинстве применений используются автоматические конвейерные весы непрерывного действия, совмещающие операции взвешивания, дозирования и опе- рации приема, перемещения и отгрузки материала. Конвейерные весы состоят из рамы грузоприемного устройства с роликоопорами, которые опираются на тензодат- чики. Рама с роликоопорами подвешена с помощью соединительных узлов и кон- вейер может иметь угол наклона до ± 20 °. Выпускаются конвейерные весы с одной или двумя роликоопорами. Прием материала из бункера осуществляется ленточным, пластинчатым, тарельчатым или шнековым питателем, вибропитателем или шлюзо- вым затвором. Конвейерные автоматические весы определяют расход, как массу материала на участке длины ленты, прошедшего в единицу времени. Роликоопоры, установлен- ные под транспортной лентой, передают нагрузку на весоизмерительное устрой- ство динамометрического или тензометрического типа. При этом участком взве- шивания является суммарное расстояние между роликами весовой платформы и полусуммы расстояний между роликами весовой платформы и неподвижными роликоопорами конвейера. Как правило, могут использоваться роликоопоры су- ществующего конвейера или новые роликоопоры устанавливаются на конвейер взамен существующих. К характеристикам конвейерных весов относят ширину и скорость ленты, ли- нейную плотность транспортируемого материала (кг/м), дискретность отсчетного устройства, класс точности, диапазон рабочих температур, программное обеспече- ние и др. Тензометрическое устройство весов имеет индикатор, который фиксирует мгно- венное значение нагрузки на весоизмерительный датчик, расход в конкретный мо- мент времени, производительность конвейера (суммарный расход), скорость дви- жения ленты конвейера, время взвешивания, линейная плотность материала. Также тензометрический прибор помимо индикатора имеет клавиатуру для параметриро- вания прибора и интерфейс для связи с компьютером (RS-232). Известны устройства, преобразующие нагрузку на ролики в угол поворота ры- чажного механизма. Дальнейшее преобразование сигнала с учетом скорости движе- ния конвейера осуществляется с помощью микропроцессорного устройства. Ско-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 49 рость движения ленты определяется с помощью тахометрического датчика, связан- ного с вращением натяжного барабана конвейера. Погрешность конвейерных весов составляет порядка ±1%. В промышленности нашли большое применение устройства для непрерывного дозирования сыпучих веществ. Под процессом дозирования понимают процесс вы- дачи заданных количеств веществ. Устройства для непрерывного дозирования назы- ваются дозаторами непрерывного действия. Вопросы дозирования жидких веществ подробно рассмотрены в работе [1.46]. Дозированию сыпучих веществ посвящены работы [1.43-1.45]. Погрешность дозирования сыпучих веществ зависит от плотно- сти и вязкости, что обусловлено изменением температуры, давления, химического и гранулометрического составов сыпучих веществ. Производительность дозатора определяется сечением потока материала при по- стоянной скорости движения материала, а при неизменном проходном сечении — скоростью движения материала. Регулирование расхода сыпучего материала осу- ществляется с помощью регулирующего органа дозатора (электрического или пнев- матического типа), снабженного датчиком контроля проходного сечения и скорости движения материала. Рабочими органами дозаторов сыпучих материалов служат питатели, в том числе шнековые, ленточные, секторные, пластинчатые, тарельчатые, лотковые и др. Как правило, эти питатели располагаются у выходного отверстия бункера. Производительность шнековых питателей, применяемых для дозирования мелко- зернистых материалов, зависит от скорости вращения шнека. Производительность лотковых питателей определяется частотой и амплитудой колебаний, создаваемых виброприводом. Производительность тарельчатых питателей — скоростью вра- щения тарели и изменением сечения потока при перемещении клинообразного затвора и т. д. [1.43]. По принципу действия дозаторы сыпучих материалов подразделяются на объем- ные и весовые. Объемные дозаторы измеряют массу материала по его объему (G = V-у, где G — масса материала, кг; V — объем, м3 ; у — насыпная плотность материала, кг/м3). Весовые дозаторы используют более точные весоизмерительные устройства. Широкое применение нашли ленточные весовые дозаторы. В качестве весоизмерительных датчиков широко используются тензометриче- ские приборы [1.40]. Электротензометрические методы взвешивания основаны на тензоэффекте, заключающемся в изменении электрического сопротивления тензо- резистора при его деформации под действием приложенной силы. Для этого тензо- резисторы наклеивают на упругие элементы, обладающие линейной зависимостью деформации от нагрузки. Характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности К, который равен отношению AR/R А1, где А/? — изменение сопротивления тензоре- зистора, R — начальное сопротивление, А/ — относительное удлинение. Разновид- ности тензодатчиков приведены в разделе 1.6.2. 1.3. Приборы для измерения давления Согласно Международной системе единиц СИ в качестве производной единицы для измерения давления принят Паскаль (Па) — давление силой 1 Н на площадь 1 м2 (Ша= 1 Н/м2). К числу внесистемных единиц, встречающихся на практике, относятся кг/см2, мм рт. ст., мм вод. ст, атм, бар и др. В табл. 1.28 приведено соотношение этих величин.
50 ГЛАВА 1 Таблица 1.28. Единицы измерения давления кПа МПа кгс/см2 мм рт. ст. м вод. ст. бар 1 кПа 1 0,001 0,0102 7,501 0,102 0,01 1 МПа 1000 1 10,2 7501 102 10 1 кгс/см2 (1 атм) 98,07 0,09807 1 735,6 10 0,9807 1 мм рт. ст. 0,13332 0,0001333 0,001359 1 0,01359 0,001333 1 мм вод. ст. 9,807 0,009807 0,1 73,56 1 0,09807 1 бар 100 0,1 1,02 750,1 10,2 1 Известны различные уровни давления, используемые в приборах для измерения давления. К ним относятся абсолютное (или полное), избыточное (или относительное), атмосферное (или барометрическое) и остаточное (или вакуум). Избыточное давление (Ри) равно разности абсолютного давления (Ра) и атмосферного давления (Ратм): Р =Р-Р . и а атм‘ Если абсолютное давление ниже атмосферного, т. е Ра < Ратм , то имеет место ва- куум. Приборы для измерения давления классифицируют по виду измеряемого дав- ления и по принципу действия3. По виду измеряемого давления приборы делят на: • манометры — приборы для измерения избыточного и абсолютного давления; • барометры — приборы для измерения атмосферного давления; • вакуумметры — приборы для измерения разрежения или вакуума; • мановакууметры — приборы для измерения избыточного давления и разрежения; • напоромеры — приборы для измерения малого избыточного давления (до 40 кПа) • тягомеры — приборы для измерения малого разрежения (до - 40 кПа); • тягонапоромеры — приборы для измерения малых избыточного давления и раз- режения; • дифференциальные манометры — приборы для измерения разности двух дав- лений. По принципу действия приборы для измерения давления делят на: • жидкостные (или гидравлические), основанные на уравновешивании измеряе- мого давления давлением столба жидкости; • пружинные (или деформационные), основанные на уравновешивании измеряе- мого давления силой упругой деформации чувствительного элемента; • грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается силой, соз- даваемой массой поршня и грузами, действующими на поршень, или создавае- мым давлением жидкости; используются в качестве образцовых при поверке и градуировке манометров; диапазон измерения от 0,1 до 250 МПа; 3 История развития приборов для измерения давления связана с именами Архимеда (ок. 287-212 до н. э.), Б. Паскаля, Д. Бернулли, Р. Бойля, Э. Мариотта и др. Согласно закону Архимеда, на тело, по- груженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вы- тесненной им жидкости. Б. Паскаль (1623-1662 гг.) установил, что давление на жидкость в сосуде переда- ется одинаково и без изменения величины по всем направлениям внутренней поверхности сосуда. Закон Бойля—Мариотта (открыт независимо друг от друга в 1662 г. английским физиком и химиком Р. Бойлем и в 1676 г. французским физиком Э. Мариоттом) гласит, что при постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален давлению. Закон строго применим для идеальных и сильно разре- женных газов. Д. Бернулли (1700-1782 гг.) установил зависимость скорости течения жидкости или газа от давления: при увеличении скорости течения давление уменьшается, и наоборот, при снижении скорости течения жидкости или газа давление возрастает.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 51 Рис. 1.22 Рис. 1.23 • Электрические манометры и вакуумметры, основанные на преобразовании из- меряемой величины в электрическую (напряжение, ток) или в изменение сопро- тивления чувствительного элемента. Жидкостные манометры подразделяют на 17-образные манометры, чашечные ма- нометры (с вертикальной и наклонной трубкой), а также жидкостно-механические при- боры, к которым относят кольцевые весы, поплавковые и колокольные манометры. Пружинные манометры в зависимости от упругого чувствительного элемента де- лят на приборы с трубчатой или пластинчатой пружиной, мембраной или мембран- ной коробкой и сильфоном. Более подробно устройство, принцип действия, правила эксплуатации и поверки жидкостных и пружинных манометров приведены в литературе [1.47-1.53]. Электрические манометры, вакуумметры и мановакууметры, характеризую- щиеся наличием выходного сигнала, подразделяют на манометры (вакуумметры) со- противления, тепловые манометры, пьезоэлектрические манометры (вакуумметры), ионизационные и радиоизотопные вакуумметры. Манометры сопротивления основаны на зависимости изменения сопротивле- ния проводника (манганина) или полупроводника от давления в области высоких давлений. Использование в качестве проводника манганина объясняется его низким ТКЭС. Для большинства проводников электрическое сопротивление с ростом давле- ния уменьшается. Манометры сопротивления применяются для измерения высоких давлений вплоть до 1000 МПа. Теплопроводные (термопарные) манометры основаны на зависимости теплопро- водности газов от давления в области низких давлений. Изменение теплопроводно- сти газов приводит к изменению температуры нагревателя и изменению термоЭДС связанной с ним термопары (или сопротивления термометра сопротивления). Термо- парные манометры применяются для измерения давления (вакуума) в диапазоне от 0,0133 до 1333 Па. Пьезоэлектрические манометры. Чувствительным элементом пьезоэлектриче- ского манометра (рис. 1.22) служат кварцевые пластины. Изменение давления, пере- даваемого через мембрану на пластины, вызывает изменение разности потенциалов на пластинах. Напряжение на входе усилителя преобразователя формирует унифи- цированный выходной сигнал прибора. Пьезоэлектрические манометры применя- ются для измерения давлений до 100 МПа. В табл. 1.29 приведены технические характеристики преобразователей давления зарубежных и отечественных производителей.
52 DIABA 1 Таблица 1.29. Технические характеристики преобразователей давления Тип Принцип измерения (сенсор) Диапазон измерения Погреш- ность изме- рения, % Параметры рабочей среды Выходной сигнал Индикатор 1 2 3 4 5 6 7 SITRANS Р (Siemens) Серия МК И Пьезо- резистивный 0,23... 160 бар +0,25 -ЗО...+11О°С 4...20 мА Аналоговый Серия MS 0,03...400 бар ±0,25 -40...+100°C ЖК-дисплей Серия DS III 0,01...400 бар ±0,1 -40...+100 °C ЖК-дисплей Серия Z 0...25 бар ±0,5 -25...+85 °C — Серия MPS 0...20 мм.вод.ст ±0,3 -10...+80 °C — Cerebar S» (Endress +Hauser GmbH) PMC 731 Емкостной 0...40 бар ±0,1 -40...+100 °C 4...20 мА PMC 635 0,16... 6,0 бар ±0,2 -40...+100 °C T PMC 131 0,1...40 бар +0,5 -40...+100 °C TPMP131 Пьезо- резистивный 1...400 бар ±0,5 -25...+70°C MPMC 41/45 0,01...400 бар +0,2 -40...+125 °C dTRANSpO2 (JUMO) 404382 Пьезо- резистивный 0,06.-.25 бар ±0,1 -40...+100°C 4...20 мА HART ЖК-дисплей 404385 0,1...600 бар ±0,1 -30...+120°C ЖК-дисплей 404327 0,05... 10 бар ±0,2 -20...+80 °C — 404353/404354 0,25...700 бар ±0,6 -30...+120 °C — BD Sensor DMP331/3332> Тензо- резистивный 0,06...60 МПа ±0,25 -40...+125 °C 0/4...20 мА — LD301 125Па...25МПа ±0,1 -25...+125 °C 4...20 мА, HART ЖК-дисплей LMK 35/331 Емкостной 0,006...6 МПа ±0,5 -25...+125 °C 0...10В — WIKA HP-1 Пьезо- резистивный 0...8000 бар +0,5 -20...+80°C 0/4...20 мА — D-10/D-11 0... 1000 бар ±0,1 -20...+80 °C RS-232 S-10/S-11 0...1000 бар +0,1 -20...+80 °C 0/4...20 мА ГК «МЕТРАН» 3051 S» Емкостной (изб. и диф.); терморезистив- ный (абс.) Верх. пред. изм. -0,0138 кПа... 69 МПа (200:1,100:1)3 ±0,055 -40...+150°С 4...20 мА, HART, FF, Profibus ЖК дисплей 3051C Емкостной (абс., изб., дифф.) 0,012 кПа... 27,58 МПа +0,1 -40...+150 °C 4...20 мА, HART, FF 3051T Пьезо- резистивный 2,07 кПа... 68,9 МПа ±0,075 -40...+150°С 4...20 мА, HART, FF 3051 H 0,62 кПа... 13,8 МПа -40...+190 °C 1151» 6,22...6895 кПа (абс); 0,18... 41369 кПа (изб.); 0,18... 6895 кПа (диф.) (50:1)3> -40...+120°C 4...20 мА, HART, 1...5B, 10...50 мА
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 53 Окончание табл. 1.29 1 2 3 4 5 6 7 2088 Пьезо- резистивный 10,34... 27580 кПа (20:1) ±0,1 -40...+120 “С 4...20 мА, HART, 1...5 В, ЖК дисплей Метран-1001! (-ДИ.-ДА, -ДИВ,-ДД) Пьезо- резистивный 0,04 кПа... 100 МПа (25:1) ±0,1 -40...+70 °C (окружающая) 4...20 мА, HART, RS-485 ЖК дисплей Метран-491' (-ДИ, -ДВ, -ДД, -ДИВ) Пьезо- резистивный 4 кПа... 100 МПа ±0,15 -40...+70 °C (окружающая) 0/4... 20 мА, О...5мА ЖК дисплей Метран 55 (-ДИ.-ДА, -ДИВ.-ДД) Тензо- резистивный 0,06...100 МПа (10:1) ±0,15 -4О...+7О°С (окружающая) 0/4...20 мА, 0...5 мА — ЗАО «Манометр» Сапфир 22МТ Тензо- резистивный 4 кПа.. .2,5 МПа; (абс.) 0,16 кПа... 100 МПа (изб.); 0,16кПа...16МПа (диф.) ±0,2 0/4...20 мА ЖК дисплей ПГ «МИДА» -ПИ-51, 52 Пьезо- резистивный 0...160 МПа 0,1; 0,25 -40...+80 °C 0/4...20 мА -ПИ-61 0...5000 psi 0.1; 0.2 -65...+150 °C -ПИ-62 -40...+80 °C 0,25; 0,5 -40...+300 °C -ПИ-62 0...200 МПа 0,1 -40...+200 °C -ПА-51 0...10 МПа 0,1;0,2 -40...+80 °C -ПА-61 0... 1500 psi 0,1; 0,2 -65...+150 °C ОАО «Манотомь» МС2000 (Ех) Преобразователь давления 0...25; 40; 63; 100; 160; 250 кПа ±0,2; ±0,5 -50...+60 °C О...5мА; 4...20 мА Стрелочный ДМ5007А (ДМ5007АЕх) 0...0.06; 0,1; 0,16; 2,5; 0,4; 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 00; 60; 250 МПа ±0,5 О...5мА; 4...20 мА ДМ2005Сг1Ех Преобразователь давления сигна- лизирующий 0... 160 МПА +1,5 Контакты: 1А (220 VDC, 380VAC) «СТЭНЛИ» Корунд- ДИ-001 Пьезорезистив- ный 0,06... 160 МПа ±0,5; -60...+130 °C 0...5 мА, 0/4...20 мА — 1 Модели для измерения давления во взрывозашишенном исполнении. 2 Преобразователи для измерения избыточного, абсолютного и дифференциального давления. 3 Диапазон перенастроек пределов измерения. Манометры (вакуумметры) с пьезорезистивными (тензорезистивными) пре- образователями. Пьезорезистивный преобразователь представляет собой тонкую монокристаллическую пленку кремния, выращенную на поверхности монокристал- лической пластины (подложки) из искусственного сапфира. Измеряемое давление через кремнийорганическую жидкость передается к мембране, вызывая изменение электрического сопротивления кремниевых пьезорезисторов, включенных в мосто-
54 ГЛАВА 1 вую измерительную схему. Сигнал разбаланса мостовой схемы поступает к усили- телю и далее преобразуется в унифицированный (в основном токовый) выходной сигнал. Достоинствами пьезорезистивных преобразователей являются линейность сигнала, малая инерционность, небольшая погрешность. Схема пьезорезистивного измерительного преобразователя (сенсора) приведена на рис. 1.23. Ионизационные вакуумметры используют эффект термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми телами в вакууме) при ионизации газа под дей- ствием электрического поля. Приборы применяются для измерения вакуума в диа- пазоне от 133,3-10*3 до 133,3-10 10 Па. Радиоактивные (радиоизотопные) вакуумметры основаны на зависимости тока, протекающего через ионизационную камеру от давления газа в камере с радиоактив- ным источником. В приборах используется a-излучение, обладающее наибольшей ионизирующей способностью на единицу длины пробега частиц. Эти вакуумметры применяются для измерения вакуума в диапазоне от 1,333 Па до 1,333 кПа. На рис. 1.24, а показан преобразователь 891.x3.4xx фирмы WIKA, на рис. 1.24, б — преобразователь 2088 ГК «Метран», на рис. 1.24, в — преобразователь Метран 55 ГК «Метран». Рис. 1.24 Коррозионностойкие преобразователи давления Метран-49 предназначены для измерения давления сред с высоким содержанием сероводорода, как в измеряемой, так и в окружающей среде, а также других агрессивных сред. Преобразователь Метран-55 рекомендуется для технологических процессов, не требующих высокой точности измерений. Преобразователь Метран-55 отличается простотой конструкции, невысокой стоимостью, надежностью и малыми габаритами. Преобразователи модели 3051S являются результатом совместного производства ГК «Метран» с компанией Fisher-Rosemount. На рис. 1.25 показан общий вид вакуумметров 13BT3-003 (й), ВИЦБ-2/7-007 (6) и вакуумметра сигнализирующего ДВ 2005 Сг (в). Рис. 1.25
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 55 В табл. 1.30 приведены краткие характеристики отечественных вакууметров (преобразователи вакууметрического давления). Таблица 1.30. Характеристики преобразователей вакууметрического давления Тип Наименование Тип и число преобразо- вателей Диапазон из- мерения, Па Погреш- ность, % Выходной сигнал Габаритные размеры, мм ФГУП «Курский завод «МАЯК» ВМБ14 Вакуумметр магнитный блокировочный ПММ-32-1 (1 шт) 1-10Л..1 +80...-0 2 канала блокировки 467x80x158 ВИЦБ-2/7-007 Вакуумметр иониза- ционный цифровой блокировочный ПМИ-51 (5 шт) 1-Ю-5... 10 ±3 1 канал блокировки 470x240x158 ЗАО «БУКОН» 13BT3-OO3 Вакуумметр теплоэлек- трический блокировоч- ный ПМТ-6-ЗМ (3 шт.) 0,1...1-Ю-5 +110... -60 2 канала блокировки 212x100x158 «Уралтеплоприбор» (Сапфир-22ДВ-Вн) 2210 Преобразователь давления 25; 40; 60; 100; 160 кгс/м2 ±0,25; 0,5 0...5 мА 212x100x158 2220 250; 400; 600; 1000 ±0,5 4...20 мА 112x189x262 2230 600; 1000; 1600; 2500; 4000 +0,25; 0,5 2240 40,60,100 кПа ±0,25; 0,5 «Уралтеплоприбор» (Сапфир-22ДИВ-Вн) 2310 Преобразователь давления 1,25; 2; 3; 5; 8 МПа ±0,25; 0,5 О...5мА; 4...20 мА 125x225x265 2320 12,5; 20; 30; 50 МПа ±0,5 112x189x262 2330 30; 50; 80; 125; 200 МПа ±0,25; 0,5 2350 0,3; 0,5; 0,9; 1,5; 2,4 МПа ±0,5 ОАО «Манотомь» ДВ2005Сг Вакуумметр сигнализи- рующий -1...0 кгс/см2 +1,5 1А; 20 VDC; 380 VAC 160x170x147 Разделительные устройства для передачи давления Для работы с агрессивными, коррозионными, вязкими и токсичными среда- ми для защиты чувствительных элементов манометров применяются мембранные, трубчатые и язычковые устройства передачи давления. Мембранные разделители. Мембранные разделители применяются для защиты чувствительных элементов приборов при измерении давления загрязненных, вязких или химически агрессивных сред. Также применение мембранных разделителей обо- сновано при наличии пульсаций давления или резких колебаниях температуры среды. Давление среды передается через мембрану на чувствительный элемент датчика через манометрическую жидкость (масло), заполняющую пространство между мем- браной и манометром. С целью снижения погрешности измерения рекомендуется использовать мано- метрическую трубку (капилляр) возможно меньшей длины и больший диаметр мем- браны. Длина капилляра достигает 1...3 м, допустимая температура среды составля- ет -90...+400 °C. Соединение разделителя с измерительным устройством осуществляется непо- средственно или через соединительный рукав (длина около 2,5 м и более), поставляе- мый по требованию заказчика. Давление среды может достигать 160 МПа и более.
56 ГЛАВА 1 а^,. Трубчатые разделители. Используются пре- Я^' имущественно для измерения давления вязких сред. Трубчатое устройство передачи давления крепится ф|гЬ В» непосредственно в трубопроводе между двумя флан- цами. Максимальные давления при использовании о g трубчатых разделителей составляют до 40 МПа. Рис ! 26 Язычковые устройства передачи давления. Устройство состоит из овальной трубки, закрытой с одной стороны и погруженной непосредственно в измеряемую среду, и соединитель- ной части. Максимальное измеряемое давление — до 160 МПа, температура среды- до 400°C. Применяется для измерения давления текучих, гетерогенных сред. Материал деталей устройств для передачи давления, соприкасающихся с изме- ряемой средой: хромоникелевая сталь, никель, тантал, титан, тефлон и ряд др. спе- циальных материалов. Передача давления к чувствительному элементу манометра осуществляется через наполнительную жидкость, в качестве которой применяются силиконовые масла, глицерин, растительное масло и др. В табл. 1.31 приведены технические характеристики разделительных устройств. На рис 1.26 показан общий вид мембранного разделителя РМ-5319 (а) и трубчатого устройства 981.18 (б). Таблица 1.31. Характеристики разделительных устройств. Модель Тип устройства Диапазон давлений, МПа Температура среды, °C Контактируемый материал СКВ «Приборы и системы» РМ-5319, -5320, -5497 Мембранное 2,5 -З0...+60°С 36НХТЮ РМ-5321, -5322 60 WIKA 990.10 Мембранное 25 -30...+70 °C Хромоникелевая сталь 990.27 40 981.10 Трубчатое 40 981.18 4 970.10 Язычковое 160 1.4. Приборы для измерения уровня Измерение уровня необходимо для контроля количества вещества в емкостях (бункеры, реакторы и пр.) и его расходе (изменении количества вещества во време- ни). Приборы для измерения уровня называются уровнемерами, а для сигнализации предельных значений уровня (минимального или максимального) — сигнализатора- ми уровня. В зависимости от метода преобразования значений уровня в измеряемый элек- трический или пневматический сигналы уровнемеры делят на следующие группы: • поплавковые уровнемеры; • гидростатические уровнемеры; • ультразвуковые уровнемеры; • радарные уровнемеры; • емкостные уровнемеры. Сигнализаторы уровня подразделяют на ультразвуковые, емкостные, вибраци- онные, радиоизотопные и электромеханические [1.63-1.68].
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 57 1.4.1 Поплавковые уровнемеры Принцип действия поплавкового уровнемера основан на перемещении поплав- ка, находящегося на поверхности жидкости, уровень которой измеряется, и преобра- зовании этого перемещения в нормированный электрический или пневматический выходной сигнал. Вес поплавка G уравновешивается выталкивающей силой, пропор- циональной площади S и глубине погружной части поплавка й: G = pgSh. В качестве преобразователей перемещения поплавка применяются диф- ференциально-трансформаторная или ферродинамическая схемы, потенциометри- ческое устройство или элемент сопло-заслонка для преобразования в пневматиче- ский выходной сигнал. Буйковый уровнемер фирмы Dresser (рис. 1.27, й) имеет поплавок в виде длинно- го цилиндра (буйка), частично погруженного в жидкость, вес которого уравновеши- вается пружиной. Таким образом, буйковый уровнемер имеет поплавок переменного погружения. Перемещение буйка h равно высоте столба жидкости (уровню) Н и об ратно пропорционально силе, создаваемой пружиной (жесткости пружины) Fnp: F = H-(F1/F2), где Ft = pgS — выталкивающая сила, действующая на погруженную часть буйка; р — плотность среды; S — площадь буйка; F2 = F, + Fnp. Чем больше Fnp, тем меньше перемещение буйка и наоборот. Далее перемещение буйка преобразуется в выходной сигнал так же, как и в поплавковых уровнемерах. В качестве выходного сигнала в современных буйковых уровнемерах используется HART-иротокол или токовый сигнал 4...20 мА. На рис. 1.27, б показана конструкция преобразователя, где 1 — буек; 2 — буйковая камера; 3 — рычаг; 4 — торсионная трубка; 5 — камера торсионной трубки; 6 — стержень; 7 — магниты; 8 — датчик Хол- ла. Перемещение буйка в этих уровнемерах приводит к повороту торсионной трубки с дальнейшим преобразованием с помощью контроллера угла поворота в токовый сигнал 4...20 мА. При использовании датчика Холла поворот трубки изменяет маг- нитное поле датчика Холла, что приводит к изменению тока, преобразуемого с помо щью встроенного микропроцессора в цифровой сигнал с HART-протоколом. Рис. 1.27
58 ГЛАВА 1 В табл. 1.32 приведены технические характеристики поплавковых и буйковых уровнемеров. Таблица 1.32. Технические характеристики поплавковых и буйковых уровнемеров Тип Диапазон измерения (верхний предел), м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность измерения, % Выходной сигнал ДУЖЭ-200М «Старорусприбор» 0,1...3 -55...+70 10; 16; 20 СК ВМ25, ВМ26 (KROHNE, Германия) 0,3...6 -200... +400 4 СК, 0/4...20 мА, HART, Profibus Серия 249 (Emerson Process Management, США) — -30...+590 40 + 0,25 4...20 мА, HART Серия 12300 (ЦДУ-01) (Dresser, Германия) 0,35; 0,8; 1.2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3 -200...+450 1,6...40 + 0,5 4...20 мА, HART 1.4.2 Гидростатические уровнемеры Принцип действия гидростатического уровнемера основан на зависимости уров- ня жидкости Н постоянной плотности от давления Р столба жидкости: Р = pgH. Технические характеристики гидростатических уровнемеров приведены в табл. 1.33 Таблица 1.33. Характеристики гидростатических уровнемеров Тип Диапазон измерения (верхний предел), м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность измерения, % Выходной сигнал Зонд УГЦ -1 (Россия) Зонд УГЦ - 2 (Россия) 1; 1,6; 2; 2,5; 4; 6; 8; 10; 12; 16; 0...1; 0...60 -40...+125 -40...+85 0,07 ±0,5 ±1 0...5 мА, 4...20 мА, СК Зонд Метран-55- ЛМП- 308(Россия) 0...4.5 кПа; 0...2,5 МПа 0...+70 — ±0,25 0...20 мА, 4...20 мА, 0...10 В Зонд Метран-55- ЛМК-858 (Россия) 0...4 кПа; 0... 1 МПа 0...+70 — ±0,35 4...20 мА Sitrans Р (серия DS III) 7MF4633 (Siemens) 0,36...72,5 Па 40...+100 40 ±0,15 4...20 мА Зонд 7MF1570 (Siemens) 0...2; 0...4; 0...6; 0...10; 0...20 -10...+80 0,14; 0,14; 0,3; 0.3; 0,6 ±0,3 4...20 мА Зонд LMP 307 (BD Sensor) 0,6... 160 -10...+70 — ±0,25 4...20 мА, 0...10В Deltapilot FMX 160 (Endress+Hauser) 250 (тросовый) -10...+100 0,2 ±0,1 4...20 мА, HART, Profibus РА, СК УГЦ-Lx НПП «Автоматика» 3; 12; 16; 60 -40...+125 (УГЦ-1.1/1.2); -25...+80 (УГЦ-1.3/ 1.4/1.5/1.6 ) 0,1 ±0,5; ±1,0 4...20 мА, СК
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 59 Измерение давления жидкости в нижней части ре- зервуара может производиться через разделительную мембрану с помощью измерительного преобразователя, шкала которого проградуирована в единицах уровня. В качестве чувствительного элемента (сенсора) преоб- разователя используется измерительная ячейка с пьезо- сопротивлениями (тензорезисторами), включенными в мостовую схему. Давление столба жидкости через разде- лительную мембрану и кремнийорганическую жидкость передается на пластину с тензорезисторами, вызывая разбаланс мостовой схемы. Выходное напряжение мо- стовой схемы, пропорциональное уровню, преобразует- ся в токовый выходной сигнал (рис. 1.28). Рис. 1.28 Разновидностью гидростатического уровнемера является погружной зонд, ис- пользуемый для измерения уровня в резервуарах, колодцах, скважинах, глубоковод- ных каналах и пр. Давление столба жидкости, пропорциональное глубине погруже- ния, воздействует через разделительную мембрану на тензорезистивный датчик. Это давление сравнивается с атмосферным, которое передается через вентиляционную трубку, находящуюся в соединительном кабеле. Выходной сигнал напряжения мо- стовой схемы датчика преобразуется в токовый сигнал. При использовании дифманометров для измерения давления столба жидкости одна полость чувствительного элемента дифманометра соединяется с уравнитель- ным сосудом, заполненным жидкостью той же плотности, что и жидкость, уровень которой измеряется. Другая часть дифманометра воспринимает переменное давле- ние столба жидкости в зависимости от ее уровня. Измеренный перепад давлений в дифманометре является функцией уровня. Отдельную группу представляют пьезометрические уровнемеры, принцип дей- ствия которых основан на продувании воздуха или газа через слой жидкости и изме- рении давления, являющегося функцией уровня. Обязательным условием при этом является равенство давления воздуха (газа) и давления столба жидкости, что харак- теризуется видимым выходом отдельных пузырьков воздуха из трубки в жидкость. 1.4.3 Ультразвуковые уровнемеры Принцип действия ультразвукового уровнемера (рис. 1.29) основан на зависимости времени прохождения ультра- звуковых колебаний (40...70 кГц) от границы раздела двух сред с различной плотностью или диэлектрической прони- цаемостью. По классификации уровнемеров, приведенной в работе [1.9], к группе ультразвуковых уровнемеров относят уровнемеры, в которых используется принцип отражения колебаний со стороны жидкости (датчик устанавливается в днище резервуара на предельной глубине). В случае распро- странения ультразвуковых колебаний в воздухе до границы раздела с жидкостью или твердым веществом уровнемер от- носят к группе акустических уровнемеров. Ультразвуковой уровнемер состоит из ультразвукового излучателя (сенсора) и преобразователя, включающего ге- Рис. 1.29
60 ГЛАВА 1 нератор ультразвуковых колебаний, усилитель, фазовый детектор, микропроцессор. Уровень жидкости определяется по временному промежутку At исходя из соотноше- ния высоты столба жидкости h и скорости распространения звука в среде с: At = 2h/c, где At — интервал времени, определяемый разностью фаз передающего и приемного сигналов. При нахождении излучателя над поверхностью раздела фаз на высоте Н интервал времени At = 2(H-h)/c. В зависимости от диапазона измерений выбирается мощность излучателя и частота ультразвуковых колебаний. Технические характеристики ультразвуковых уровнемеров представлены в табл. 1.34 Таблица 1.34. Характеристики ультразвуковых уровнемеров Тип Диапазон измерения (верхний предел), м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность измерения, % Выходной сигнал ЭХО-5 (Россия) 0,4... 10 (АП31); 10; 16; 20; 30; (АП); 1; 1,6; 2,5; 4; 6 (АП6В) -40...+120 — ±1,5 0...5 мА, 0/4...20 мА, СК ВЗЛЕТ УР (Россия) 0...8 -20...+50 — ±0,2 0...5 мА, 0/4...20 мА, СК, RS-232, RS-485 PROBE (Siemens) 0,25...8 -40...+60 — ±0,25 4...20 мА, СК ST-H (Siemens Milltronics) 0,3...10 -20...+60 — ±0,25 43 кГц Echomax XRS-5 Echomax XLS/XLT (Siemens Milltronics) 0,3... 10 0,9...30; 1,8...60 -20...+60 -40...+150 — ±0,25 43 кГц 13; 22 кГц Prosonic T FMU/FTU Prosonic FDU (Endress+Hauser) 0,25...5; 0,4...8; 0,6...15 0,3...2; 0,5...5; 0,8...10; 1...15; 0,8...45; 1,6...70 (сыпучие) 0,3...5; 0,5... 10; 0,8...20; 1...25 (жидк.) -40...+80 0,3 ±2 4.. .20 мА, HART, СК, Profibus Prosonic M FMU40 FMU41 (Endress+Hauser) 0,25...5 (жидк.); 0,25...2 (сыпуч.); 0,4...8 (жидк.); 0,4...3,5 (сыпуч.) -40...+80 0,3 ±2 4...20 мА, HART, FF, Profibus РА Чем больше диапазон измерения, тем больше должна быть мощность излучателя (большая излучающая поверхность мембраны) и тем ниже частота излучений. На точность ультразвукового уровнемера оказывают влияние ряд факторов, сре- ди которых степень поглощения колебаний в жидкой (твердой) среде, плотность и температура воздушного (газового) слоя, наличие пыли, дыма и пр. Для снижения дополнительной погрешности от изменения температуры среды в сенсор устанавливается датчик температуры. Для акустических уровнемеров, кроме того, на точность измерения оказывает влияние форма поверхности (конусность при измерении уровня твердого или сыпучего вещества) или наличие пены и волнисто-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 61 сти поверхности для жидких сред. По местонахождению сенсора различают бескон- тактные и контактные сенсоры. Контактный сенсор представляет собой погружной элемент (трос или штырь), вдоль которого распространяются ультразвуковые колебания. К достоинствам кон- тактного уровнемера относят большой диапазон измерения, независимость от со- стояния поверхности (пена, волнение поверхности), измерение уровня сред с малой диэлектрической проницаемостью. Недостатки — механическое воздействие на кон- тактный сенсор, особенно твердой фазы, коррозия, налипание на поверхности сен- сора и др. Бесконтактный сенсор имеет ряд преимуществ, среди которых высокая надеж- ность измерения (в том числе агрессивных сред), простота эксплуатации и ремонта. 1.4.4 Радарные (микроволновые) уровнемеры В радарных уровнемерах (рис. 1.30) используются микроволновые импульсы высокой частоты (от 6 до 26 ГГц), поступающие через стержневую (штыревую), ру- порную или волноводную антенну в измеряемую среду. Диапазон измерения уров- ня до 20 м и более, погрешность до ±0,15%. На показания уровнемера не оказывают влияния состав, температура и давление среды, а в отдельных случаях и диэлектриче- ская проницаемость материала. Диапазон измерений зависит от частоты колебаний, размеров антенны, состояния поверхности и диэлектрической постоянной среды (е). Чем выше е, тем больше величина отраженного импульса. Поскольку при высо- кой частоте скорость распространения электромагнитных колебаний в различных газах и воздухе отличается незначительно, точность измерений уровня радарным уровнемером не зависит от содержания пара или дыма. Кроме того, за счет малой длины волны излучения, радарные уровнемеры характеризуются более высокой раз- решающей способностью измерения, а уровнемеры с рупорной антенной — малыми габаритами. При сравнении радарных уровнемеров с частотой излучения 6 и 24 ГГц следует учитывать, что низкочастотные радары имеют большие габариты, но менее чувствительны к наличию на поверхности пены или волнистости поверхности, а так- же наличию конденсата на антенне. Метод частотно-модулиров энного непрерывного излучения, используемый в радарных уровнемерах, получил название метода FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). К числу контактных радарных уровнемеров с частотой излучения 0,2... 1,5 ГГц относят уровнемеры, у которых из- лучатель крепится на конце удлинителя (троса), что позво- ляет при установке сенсора вблизи дна резервуара измерять уровень независимо от состояния поверхности. Помимо тро- совой антенны в таких уровнемерах используется штыревая или коаксиальная антенна. В последние годы появилась новая серия радарных уров- немеров — радарные волноводные уровнемеры, относящие- ся к классу контактных уровнемеров. Принцип измерения уровня основан на том, что импульсы микроволновой часто- ты малой мощности направляются по зонду-волноводу, по- груженному на всю глубину измеряемого слоя. При достиже- нии импульсом среды с другим коэффициентом диэлектри- Рис. 1.30
62 ГЛАВА 1 ческой проницаемости (например, раздела фаз газ-жидкость) происходит отражение сигнала. Интервал времени между передачей зондирующего сигнала и приемом отра- женного сигнала пропорционален расстоянию от излучателя до поверхности среды. Поскольку импульсы направляются строго по зонду-волноводу возможно измере- ние уровня в узких резервуарах. Также эти уровнемеры используются для контроля уровня раздела жидкостей с различной диэлектрической проницаемостью (напри- мер, уровня раздела воды и нефти). Измерение уровня волноводным уровнемером осуществляется по технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR — Time Domain Reflectometry). Все радарные уровнемеры имеют преобразователи сигнала, укрепленные в голов- ке сенсора. Электронный и дисплейный модули могут быть сняты для замены (ре- монта) без демонтажа антенны. Технические характеристики радарных уровнемеров приведены в табл. 1.35. Таблица 1.35. Характеристики радарных уровнемеров Тип Диапазон измерения (верхний предел), м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность измерения, % Выходной сигнал Радарные бесконтактные уровнемеры Sitrans LR300 (Siemens') 0...20 -40...+200 1 ±0,15 4...20 мА, RS-485 Sitrans LR400 (Siemens) 0...45 -40...+140 (+250) 1 ±0,15 4...20 мА, HART, Profibus РА Rosemount- 5400 (Fisher Rosemount) 3...20 -40...+150 1 ±10 мм 4...20 мА, HART Profibus РА Rosemount- 5600 (Fisher Rosemount) 2...50 -40...+150 1 ±10 мм 4...20 мА, HART Profibus РА BM70A, BM70P BM700, BM702 (KROHNE) 0,5...40 До +250 40 ±1...10 мм 4...20 мА, HART Profibus РА, FF, RS-485 Micropilot M: FMR 230 FMR231 FMR 240 Micropilot S: FMR 530 FMR 533 0...20 (рупорн.) 0...20 (стержн.) 0...20 (рупорн.) 0...25 (рупорн.) 0...40 (парабол.) -60...+400 -40...+150 -40...+150 -40...+200 -40...+200 16 4 4 4 1,6 ±10 мм.(бГГц) ±10 мм.(бГГц) ±3 мм.(26ГГц) ±1 мм ±1 мм 4...20 мА, HART Profibus РА, FF, RS-485 Радарные контактные уровнемеры Levelflex M FMP40 (Endress+Hauser) 4 (стержневой); 4 (коаксиальн.); 35 (тросовый) -40...+150 4 ±3 мм (до 10 м) ±0,03% (больше 10 м) 4...20 мА, HART Profibus PA, FF Серия 3300 (Fisher Rosemount) 0,4...6 (коаксиальн.) 0,6..3 (стержнев.) 1...23 (гибкий) -40...+150 4 ±0,1% 4...20 mA, HART 1.4.5 Емкостные уровнемеры Принцип действия емкостного уровнемера основан на зависимости емкостно- го сопротивления датчика, включенного в одно из плеч моста переменного тока, от уровня.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 63 Емкостной преобразователь представляет собой кон- денсатор с пластинами, пространство между которыми заполнено жидкостью, уровень которой измеряется. Та- ким образом, емкость преобразователя Спр равна сумме двух емкостей, одна из которых представляет конденса- тор, погруженный в жидкость с диэлектрической прони- цаемостью Еж (например, £воды = 80), а другая находится над уровнем в среде с диэлектрической проницаемостью £ср (например, £возд = 1). Конструкция датчика может быть трубчатой (концентрично расположенные труба в трубе) или пластинчатой (параллель- но расположенные пластины). Так, для пластинчатого датчика емкость преобразователя равна: С = Ь/l (в • h + е • й), ' Ж Ж В В' ' где b — ширина пластины; I — расстояние между пластинами (обкладками конденса- тора); йж — высота столба жидкости (уровень); hB — высота пластины над измеряе- мым уровнем. Чаще используются емкостные датчики круглого сечения различной длины и диаметра. Конструктивно емкостной уровнемер представляет емкостной датчик уровня и электронный преобразователь (рис. 1.31). Микропроцессор преобразовате- ля воспринимает аналоговый или частотный сигнал, пропорциональный уровню, и преобразует его в унифицированный токовый сигнал. Технические характеристики емкостных уровнемеров приведены в табл. 1.36 Таблица 1.36. Характеристики емкостных уровнемеров Тип Диапазон измерения (верхний предел), м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность измерения, % Выходной сигнал ДУЕ-1 (Россия) 0,2;0,4;0,6;1;1,6;2,5;4;6; 10;16;20;25 Первичн. преобразователь: КНД, ТНТ. ПСФ, ПТФ, ПОФ, СФ Измерит, преобразователь: ПИ-6 -60...+100; +5...+250 2,5; 10 ±0,5; ±1; ±1,5 0...5 мА. 0/4...20 мА, СК РОС-101 (Россия) 0,1;0,25;0,6;1;1,6;2;3; 4...20 (через 0,5 м) -100...+250 2,5 ±1,5 СК SITRANS LC300 (Siemens) 0,3... 5 (стержневой); 0,5...25 (кабель) -40...+200 3,5 ±0,25 4...20 мА SITRANS LC500 (Siemens) 0...3.5 (стержневой); 0...35 (кабель) -200...+200 (+400) 20; 50 ±0,25 4...20 мА, HART VEGACAP (VEGA) Перв. преобр ль: EL 0...4 (стержневой, EL2x); 0...25 (кабель, EL42). Промежут. преобр-ль: VEGAMET, VEGALOG -50...+400 6,3 ±5 мм 4...20 мА .Multicap DC 11 .Multicap DC21 i Endress+Hauser) 0...4 0,1...4 -80...+200 10 5 ±1 4...20 мА 1.4.6 Сигнализаторы уровня В качестве сигнализаторов уровня используются различные физические свой- ства газов и жидкостей, значительно отличающиеся друг от друга, такие как плот- ность, диэлектрическая проницаемость, теплопроводность и др.
64 ГЛАВА 1 В зависимости от этого получили применение емкостные, ультразвуковые, ви- брационные, радиоизотопные и электромеханические сигнализаторы уровня. При достижении уровнем одного из предельных значений (максимального или мини- мального) сигнализатор формирует дискретные или аналоговые выходные сигналы (типа «сухой контакт» — СК или «открытый коллектор» — ОК). Погрешность сраба- тывания устройства сигнализации выражается в абсолютных единицах и составляет от +1 до ±5 мм. Емкостные сигнализаторы уровня (рис. 1.32) применяются для контроля уров- ня жидких и сыпучих веществ в широком диапазоне температур и давлений. Они могут устанавливаться как на боковой стенке резервуара, так и на верхней крышке. Защитные чехлы, устойчивые к химическому воздействию (тефлон и др. материалы), позволяют использовать их в агрессивной среде (табл. 1.37). Ультразвуковые сигнализаторы уровня (рис. 1.33) осуществляют бесконтактный контроль предельных значений уровня жидкостей, взвесей и твердых веществ. При этом на сенсоре не образуются отложения и конденсат. К другим достоинствам уль- тразвуковых сигнализаторов относят простоту монтажа и обслуживания. Недоста- ток — погрешности при контроле предельного уровня жидкости, в которой присут- ствуют пузырьки газов или пена. Вибрационные сигнализаторы уровня имеют ряд достоинств, к числу которых от- носятся высокая механическая прочность, наличие функции самоочищения лопаток резонатора, работоспособность в широком диапазоне температур, давлений, элек- тропроводности и вязкости среды, длительный срок службы. Принцип действия вибрационного датчика (рис. 1.34) основан на зависимости частоты колебаний механического резонатора (камертона) от изменения плотно- сти среды, окружающей резонатор. Конструктивно вибрационный датчик включа- ет две симметричные пластины камертона, закрепленные на жесткой мембране, от которой к пластинам в противофазе передаются колебания на резонансной частоте 0,4. ..15 кГц. Резонансная частота колебаний связана с плотностью измеряемой среды. Вибрационные датчики применяются также для определения границы раздела двух жидкостей, например воды и бензина. Принцип действия радиоизотопного сигнализатора уровня (гамма-реле) основан на зависимости степени поглощения у-излучения при прохождении через слой жид- кости или твердого вещества от уровня. Интенсивность у-излучения после прохождения через слой вещества выражает- ся зависимостью: Рис. 1.32 Рис. 1.33 Рис. 1.34
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 65 где I — интенсивность у-излучения после прохождения слоя вещества толщиной В; 10 — начальная интенсивность излучения; р — коэффициент ослабления у-излучения для конкретного материала. В качестве источников у-излучения применяются изотопы Со60 и Cs137, мощность которых рассчитывает- ся в соответствии с конкретными условиями (параметры контролируемого вещества, материал стенок, изоляции и др.). В качестве приемников у-излучения используются ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляци- онные счетчики, полупроводниковые детекторы. Энергия ионизирующего излучения в детекторах преобразуется в электрический сигнал. При этом ионизационные камеры выдают сигнал анало- говой формы, остальные типы детекторов — дискретной формы. Сигнал, усилен- ный детектором, поступает в электронно-релейный блок, формирующий выходной сигнал. Конструктивно у-реле представляет собой толстостенный контейнер или блок источника с находящимся внутри источником у-излучения (рис. 1.35). Источник у-излучения помещен в дюралевый колпачек, который навинчен на т орец штока ре- гулировочного механизма 1, служащего для быстрой и надежной установки источ- ника у-излучения в рабочее или нерабочее положение. Регулировочный механизм защищен стальным колпачком 10, навинчивающимся на втулку 3. Чугунная оболоч- ка 5, залитая свинцом 7 обеспечивает надежную биологическую защиту персонала. Оболочка снабжена трубкой 8, внутри которой передвигается шток регулировочного механизма с источником у-излучения. Перпендикулярно оси передвижения штока расположено коллимационное отверстие для выхода потока у-излучения. В период транспортировки или хранения это отверстие закрыто свинцовой пробкой 6. Спе- циальная заслонка переводит прибор в положения «луч закрыт» или «луч открыт». Электронная схема приемника у-излучения, находящегося на противоположной сто- роне слоя вещества, формирует два выходных сигнала «уровень больше» или «уро- вень меньше». К основным преимуществам радиоизотопных сигнализаторов уровня относят высокую надежность, возможность работы в условиях запыленности, высо- кой температуры, давления и вязкости и др. Электромеханические сигнализаторы уровня. К их числу относятся электрокон- тактные сигнализаторы и сигнализаторы с поворотной лопастью. Принцип действия электроконтактных сигнализаторов заключается в том, что чувствительный элемент (поплавок) при достижении предельного уровня (макси- мального или минимального) замыкает группу контактов, с помощью которых выда- ется выходной сигнал. На рис. 1.36 приведен общий вид поплавкового сигнализатора уровня типа ВМ 26 фирмы KROHNE. Принцип действия сигнализаторов с поворотной лопастью (лопастной сигнали- затор) заключается в том, что лопасть приводится во вращение синхронным двига- телем с редуктором и приостанавливается при соприкосновении с контролируемым веществом, что приводит в действие релейную схему прибора. При освобождении от нагрузки вращение возобновляется и реле приходит в исходное состояние. Сигна- лизатор находит применение при контроле предельных уровней жидких и сыпучих материалов. 3 Зак. 3801
66 ГЛАВА 1 Рис. 1.36 Рис. 1.37 На рис. 1.37 представлен общий вид сигнализатора с поворотной лопастью типа SITRANS LPS200/Pointek PLS 200. Сигнали- затор оборудован складной лопастью и по- зволяет контролировать уровень материалов с низкой плотностью (до 35 г/л). Технология с использованием вращаю- щейся лопасти позволяет определять состоя- ния «полный», «пустой» или другой заданный уровень в емкостях с такими материалами, как цемент, пластик в гранулах и др. Лопаст- ной сигнализатор SITRANS LPS200 применя- ется как для сыпучих веществ с небольшой плотностью 35 г/л с использованием дополнительной шарнирной лопасти, так и для веществ с плотностью 100 г/л с использованием стандартной измерительной лопасти. Чувствительность лопасти может настраиваться для различных характеристик мате- риала, например, для исключения влияния образования отложений материала. Техни- ческие характеристики сигнализаторов уровня приведены в табл. 1.37. Таблица 1.37. Характеристики сигнализаторов уровня I Тип Диапазон измере- ния, м Температура среды, °C Давление среды, МПа Погрешность,% Выходной сигнал 1 2 3 4 5 8 Емкостные сигнализаторы уровня СУС-РМ (Россия) 0,l;0,25;0,6;l;l,6; 2...22 (через 0,5 м) -100...+250 0,1;2,5 ±4 мм СК РИС-101 (Россия) 1...22 -100...+250 2,5 ±2,5 СК ЭСУ-1 (Россия) 3 контрольных уровня до +200 — ±10 мм СК Minicap FTC 260/262 (Endress+Hauser) 0...0Д4 (стержневой); 0...6 (тросовый) -40...+130 2,5 ±3 мм СК, ок Pointek CLS 100 Pointek CLS 300 Pointek CLS 500 (Siemens) 0,1 (стержн.); 0,35 (стержн); 0,5...25 (кабель) -40...+110; -40...+85; -200...+200 1; 3.5; 50 ±2 мм 4...20мА,ОК; СК, ОК; 4...20 мА, HART LS 200 (KROHNE) 0...6 -20...+80 1 ±1 мм СК Ультразвуковые сигнализаторы уровня Pointek ULS 200 (Siemens) 0,25...3 (сыпучие); 0,25...5 (жидкие) -20...+80 1 ±3 мм СК, ОК Вибрационные сигнализаторы уровня Pointek VLS 200 (Siemens) 0,3...4 (с удлини- телем) -25...+80 1 ±3 мм СК Liquiphant T Liquiphant M FTL 5x, 7x Liquiphant FTL20 (Endress+Hauser) 3 (с удлинителем); 3 (с удлинителем); длина ЧЭ — 38 мм -40...+150; -40...+150; -40...+100 4; 6,4; 4 ±2 мм СК, ок
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 67 Окончание табл. 1.37 1 2 з 4 5 6 Радиоизотопные уровнемеры РРП - 1Т (Россия) — -30...+50 — ±2 СК Gammapilot FT6 470Z (Endress+Hauser) 1,5 Не ограничено ±1 СК DG 57 (Endress+Hauser) 0,1...2 ±1...2 СК LB 323 (Berthold) 10 ±2 СК, 0/4...20 мА Электромеханические сигнализаторы уровня Pointek PLS 200 (Siemens) 10 (с удлините- лем ); длина поворотной лопасти — 250 мм. -20...+80 0,05 ±1 СК Лопастные сигнализаторы уровня Pointek PLS200 (Siemens) 0,25; 10 (с кабель- удлинителем) -20...+80 0,05 СК ±1 1.4.7 Измерение уровня раздела фаз Для измерения уровня раздела фаз (разделительного слоя) жидких сред и твердых веществ используются различные методы измерения: ультразвуковой, емкостной, ги- дростатический и др. Измерение границы раздела двух жидких сред с различной плот- ностью применяется при контроле разделительного слоя нефтепродуктов, сжиженных газов, водных растворов в химической, нефтеперерабатывающей, горной промышлен- ности, при переработке минерального сырья, в промышленности сточных вод (кон- троль уровня отстойников) и в других отраслях промышленности [1.65-1.68]. При контроле разделительного слоя двух жидких сред по разности плотностей необходимо, чтобы разность плотностей составляла не менее 10%. Так, в системе многоканального измерения уровня и раздела жидких сред РУПТ-МН-РС64 [1.67] диапазон плотности измеряемой жидкости составляет 0,5... 1,1 г/см3, а разность плотностей верхней и нижней фаз должна быть не менее 0,1 г/см3. При контроле разделительного слоя по разности диэлектрических проницаемо- стей (электропроводности) двух жидких сред эта разность должна быть не менее по- рога чувствительности прибора и также не менее 10%. Магнитострикционный метод высокоточ- ного измерения уровня и уровня раздела фаз основан на магнитострикционном эффекте [1.68]. Поплавок, положение которого зависит " от разности плотностей жидких сред, пере- 2 мещается по трубке, внутри которой натянут провод 1 из магнитострикционного материала //Си (рис. 1.38). Внутри поплавка находится магнит. j V/ С При перемещении поплавка с магнитом вокруг 5 х------------- провода создается магнитное поле 3. С помо- 5 шью короткого импульса по всей длине про- вода генерируется кратковременное магнитное
68 ГЛАВА 1 поле. Магнитное поле провода 4 взаимодействует с проводом, в результате чего на конце провода образуется механическая волна 5, которая преобразуется пьезоэлек- трическим преобразователем 2 в электрический сигнал. Положение поплавка (уро- вень раздела фаз) определяется временем пробега волны. Разность плотностей двух фаз должна быть не менее 50 кг/м3, плотность 400 кг/м3 и более. В табл. 1.38 приведены технические характеристики приборов для измерения разделительного слоя жидких сред. Таблица 1.38 Характеристики приборов для измерения разделительного слоя Тип Метод изме- рения Диапазон измерения Температура и давление среды Выходной сигнал Питание Область приме- нения Inter Ranger DPS 300 (Siemens') Ультра- звуковой 30 м 20 °C, 0,1 МПа 2х (4... 20 мА); 4 реле 220 VAC Сточные воды, горная промышленность Pointek CLS 300 (Siemens) Емкостной 1м — стержень, 25 м — кабель -40...+200 °C 3,5 МПа СК, р-п-р 220 VAC Нефтехимия, проводящие материалы. Sitrans LC 500 (Siemens) Емкостной 5,5 м — стержень, 35 м — кабель -200...+200 °C 5 МПа 4...20 мА, р-п-р 24 VDC Нефтехимия, газ, петрохимия KSR (KSR KUEBLER) Магнито- стрикцион- ный Зибм -200...+200 °C до 10 МПа 4...20 мА 10...30 VDC Нефтехимия, газовая, энергетика РУПТ-МН-РС64 (СКВ «Приборы и системы») Гидростати- ческий (плот- ность) 0,5...1,1 г/см3 -50...+50 °C 2,5 МПа СК 220 VAC Нефтепродукты, сжиженный газ в резервуарах 1.5. Анализаторы состава и свойств веществ Качество продуктов, получаемых в ходе технологических процессов, определя- ется его физико-химическими свойствами. Контроль этих свойств в ходе процесса позволяет повысить эффективность процесса и качество продукта. Анализ состава веществ предполагает определение таких свойств, как концентрация, вязкость, плот- ность, электропроводность и др.4 * * * В Приборы, предназначенные для анализа состава веществ, называются анализато- рами. В основном это анализаторы газов и жидкостей. Методы анализа определены 4 В 1785 г. русский химик Т.Е. Ловиц открыл явление адсорбции — процесса поглощения веществ из раствора или газа твердыми веществами или жидкостью. В 1903 г. русский биохимик М. С. Цвет создал метод хроматографического адсорбционного анализа. В 1895 г. французский физик П. Ланжевен разра- ботал электронную теорию парамагнетизма, послужившую основой термомагнитных газоанализаторов. В области развития спектроскопии отметим И. Ньютона, который впервые в 1666 г. разложил световое излучение в спектр. В 1802 г. Волластон ив 1814 г. Фраунгофер обнаружили дискретные спектры поглоще- ния и испускания. В 1860 г. Д. Максвелл создает электромагнитную теорию света, за которой последовало открытие рентгеновских и гамма-лучей. В 1896 г. голландский физик Зееман открыл эффект расщепле- ния спектральных линий в магнитном поле. В 1905 г. А. Эйнштейн определил кванты, как частицы света (фотоны), а в 1911 г. М. Планк выдвинул гипотезу квантов излучения. В 1911 г. Э. Резерфорд сформулиро- вал модель атома, состоящего из ядра и электронов. В 1919 г. английским физиком Ф. Астоном изобретен масс-спектрометр. Квантовые представления в спектроскопию внес Нильс Бор в 1913 г., объяснив спектр атома водорода. В 1924 г. создаются основы квантовой механики. В 1944 г. Завойским открыто явление парамагнитного резонанса.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 69 ГОСТ и для газов подразделяются в зависимости от прямого измерения или с пред- варительным преобразованием пробы на две группы. Первая группа (прямого изме- рения) включает абсорбционно-оптические, термокондуктометрические, термомаг- нитные, пневматические методы. В состав второй группы входят электрохимические, термохимические, фотоколориметрические, пламенно-ионизационные, хроматогра- фические и масс-спектрометрические методы. Методы анализа жидкостей также ре- гламентированы и по вышеприведенной классификации подразделяются на методы прямого измерения — кондуктометрические, потенциометрические, диэлькометриче- ские, полярографические, оптические, радиоизотопные, механические и кинетические. К методу с предварительным преобразованием пробы относится титрометрический метод. Описание методов анализа приведено в работах [1.73,1.74,1.79]. В данной книге основное внимание уделено приборам контроля состава и свойств веществ, используемых в составе систем контроля и регулирования АСУ ТП, приме- нительно к которым кратко рассматриваются методы анализа и принцип действия анализаторов. 1.5.1 Газоанализаторы Существует большое число газоанализаторов для контроля процентного содер- жания различных газов, в том числе токсичных (СО2, СО, SO2, Cl2, NH3, H2S и др.), взрывоопасных (Н2, СН4, С3Н8) газов, а также О2 [1.69,1.72, 1.78]. В табл. 1.39. приведены физико-химические свойства некоторых газов. Таблица 1.39. Физико-химические свойства газов Газ Молярный вес, г/моль Ippm (перевод в мг/м3) 1% об. (перевод в г/м3) ПДК рабочей зоны Кислород О2 32 1,249 12,49 — Углекислый газ СО2 44 2,054 20,54 0,44 об.% Угарный газ СО 28 1,250 12,50 20 Сероводород H2S 34 1,518 15,18 10 Хлор С12 71 3,170 31,70 1 Аммиак NH3 17 0,759 7,59 20 Окись азота NO 30 1,339 13,39 5 Двуокись азота NO2 46 2,054 20,54 2 Сернистый газ SO2 64 2,857 28,57 10 Водород Н2 2 0,089 0,89 — Метан СН4 16 0,714 7,14 300 Озон О3 48 2,143 21,43 0,1 Хлористый водород НО 36,5 1,629 16,29 5 Примечание. 1% об. = 10 000 ppm (part per million)-, 1%НКПР по метану — 0,0528% об. или 369 мг/м3. Для токсичных и взрывоопасных газов введено понятие предельно допустимой концентрации (ПДК) в рабочей зоне. Выпускаются сигнализаторы довзрывных кон- центраций (ДВК). Сигнализаторы ДВК и газоанализаторы ПДК при содержании го- рючих паров 5...50% от нижнего предела воспламенения (НПВ) должны включать световую и звуковую сигнализацию для оповещения персонала о наличии опасных концентраций взрывоопасных и вредных веществ. Одной из основных технических характеристик газоанализатора или сигнализатора является диапазон измерения по поверочному компоненту в процентах от концентраций, соответствующих нижнему
70 ГЛАВА 1 концентрационному пределу распространения пламени (%НКПР). В качестве пове- рочного компонента может быть, например, метан. Единицы измерения концентра- ции газа: г/м3, мг/м3, % по объему. В табл. 1.40 приведены основные горючие газы и пары нефтепродуктов. Таблица 1.40. Горючие газы и пары нефткпродуктов Ацетилен С2Н2 Гексан с6н14 Пропан С3Н8 Бензин с6н14 Гептан С7Н14 Стирол с,н6 Бензол с6н6 Ксилол ^8^18 Толуол ед Бутан С4Н10 Метан сн4 Этан с2н6 Бутадиен ^Hf, Метанол СН3ОН Этилен с2н4 Бутилен С4Н8 Октан ^8^18 1.5.1.1 Термокондуктометрические газоанализаторы Принцип действия термокондуктометрического газоанализатора основан на за- висимости сопротивления терморезистора, находящегося в рабочей камере с ана- лизируемой газовой смесью и нагретого до температуры примерно 200 °C, от тепло- проводности окружающей терморезистор смеси. Теплопроводность анализируемого газа должна значительно отличаться от теплопроводности др. компонентов смеси. Принципиальная схема термокондуктометрического газоанализатора пред- ставляет собой неуравновешенный мост, в противоположных плечах которого (для повышения чувствительности) находятся рабочие камеры с терморезисторами, а в двух других — камеры со сравнительным газом (воздух) и терморезисторами. Те- плопроводность анализируемого газа, отличная от теплопроводности воздуха, вы- зывает изменение сопротивлений терморезисторов рабочих камер по отношению терморезисторов сравнительных камер. Сигнал рассогласования мостовой схемы (ток в диагонали моста) является функцией процентного содержания анализируе- мого газа в газовой смеси {1.76]. В табл. 1.41 приведены значения коэффициентов теплопроводности (Хг) некото- рых газов при 0 °C и атмосферном давлении, а также величина отношения Хг и коэф- фициента теплопроводности воздуха Хв, являющегося сравнительным газом в схеме газоанализатора. Таблица 1.41. Значения коэффициентов теплопроводности (Хг) некоторых газов Газ Хг, мВт/(м ° С) ХА Газ Хг, мВт/ (м ° С) ха Азот 23,72 0,996 Окись углерода 22,94 0,965 Аммиак 21,33 0,879 Сернистый ангидрид 8,17 0,344 Водород 169,60 7,130 Сероводород 12,79 0,538 Воздух 23,78 1,000 Углекислый газ 14,59 0,614 Двуокись азота 42,71 1,796 Хлор 7,65 0,322 Кислород 24,16 1,016 Водяной пар (100 °C) 23,15 0,973 Метан 31,38 1,320 Коэффициентом теплопроводности (X) называется величина, численно равная количеству теплоты (Q), прошедшему в единицу времени (t) через слой единичной толщины (А/) при разности температур поверхностей слоя (АТ) в 1 °C, если площадь слоя (S) равна единице.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 71 Л = О(Д//Д Г) S t, Вт/м • град Погрешности термокондуктометрических газоанализаторов связаны с измене- нием окружающей терморезисторы температурой, колебаниями расхода анализиру- емого газа и напряжения питания. Газоанализаторы используются для определения содержания водорода (Н2), гелия (Не), углекислого газа (СО2), сернистого газа (SO2), аммиака (NH3), аргона (Аг), хлора (С12) и хлористого водорода (НС1). Технические характеристики термокондуктометрических газоанализаторов при- ведены в табл. 1.42 Таблица 1.42. Технические характеристики газоанализаторов Тип Принцип работы Анализируемый газ Диапазон измерения, % об. Погрешность, % Выходной сигнал 1 2 3 4 5 6 АКВТ-01 Электро- химический о2 0,1. ..2; 0,1. ..5; 0,1. ..10 0,1...0,4 0...5,4...20 мА АНКАТ 7631М lExsibIICT6 (переносной) Электро- химический СО, NH3 H2S, SO2 Cl2 no2 о2 0...200 мг/м3 0...20 мг/м3 0,3...25 мг/м3 0... 10 мг/м3 0...30 ± 5 мг/м3 ± 2,5 мг/м3 ± 0,5 мг/м3 ± 0,5 мг/м3 ± 3 0...5, 4...20 мА АНКАТ 7621М lExsibIICT6 (стационарный) Электро- химический со so, H2S Cl2 0... 50 мг/м3 0...20 мг/м3 0...20 мг/м3 0...5,0...50 мг/м3 ± 1 мг/м3 ± 1 мг/м3 ± 0,75 мг/м3 ± 0,25 мг/м3 4...20 мА, СК АНКАТ 7654 (стационарный) Электро- химический со so2 H2S no2 0...50 мг/м3 0...20 мг/м3 0...20 мг/м3 0...10 мг/м3 ± 5 мг/м3 ± 2,5 мг/м3 ± 0,75 мг/м3 ± 0,5 мг/м3 0...1 В Палладий 3 (стационарный) Электро- химический co 0...50 мг/м3 ±(0,75...5) мг/м3 0...5,4...20 мА Оптима 3 (стационарный) Электро- химический (О2) Термокаталитиче- ский (СО) O2 co 0,2...21 0... 1000 ppm ± 10 0...5, 4...20 мА, СК, RS-232 ГЛ-5108 (стационарный) Электрохимиче- ский o2 (микро- концентрации) 0...5-Ю-4,0...1-10-’ 0...5-103,0...0.01, 0...0.05 + 10 Встроенный самописец СТГ-2 (стационарный) Электрохимиче- ский Cl2 0...1 мг/м3 0.. 20 мг/м3 + 25 СК ЭССА (стационарный) Электрохимиче- ский NHj Cl2 co NO H2S o3 CH4 o2 0...200,0...600 мг/м3 0...5,0... 50 мг/м3; 0... 100 мг/м3; 0...30 мг/м3; 0...30 мг/м3; 0...1 мг/м3; 0...25; 0...30 + 10 RS-232, СК Хоббит -Т 1 ExibIIBT6 (стационарный) Электрохимиче- ский NH, H2S SO2 CH4 HF 20...500 мг/м3; 5...30 мг/м3; 10... 100 мг/м3; О...5О%, НКПР; 0,5; 2,5 мг/м3 (1 и 5 ПДК) + 25 0...5,4...20мА, СК, RS-232
72 ГЛАВА 1 Продолжение табл. 1.42 1 2 3 4 5 6 КАСКАД-Н 312/512/52/62 Электро- химический со NO no2 H2S so2 о2 0...20 г/м3 0...3 г/м3 0...200 мг/м3 0...0.1 г/м3 0...5г/м3 0...25%о6. ± 0,05 мг/м3 ± 0,05 мг/м3 ± 30 мг/м3 ± 5 мг/м3 ± 0,05 мг/м3 ± 2.5% RS-232, ЖК-индикатор ГОЗОН (стационарный) Электро- химический (8 каналов) Оз 0...1 мг/м3 ±25 СК Колион 1В ExiblIBT4 (стационарный) Фотоионизаци- онный СО; H2S; NO2; NH3,CH3 0...2000 мг/м3 ± 15 ЖК- индика- тор ИВА-lBxx Электрохимиче- ский Н2, Ar SO2 CO2 NH3 0...100%; 0...20%; О...1ОО%; 0...15%,0...20%, 30...90% ±5 4...20 мА СТМ-10 lExdIICT4 (стационарный) Термохимический (1...10 каналов) H2>CH CH4,C3H8 0...50%, НКПР ± 5%, НКПР измерение; ±10%, НКПР сигнализация 0...1В.СК СТМ-30 lExdibIICT6 (стационарный) Термохимический (1...16 каналов) CH, CH4 C3Hf,H2 О...5О%, НКПР ± 5%. НКПР- измерение; ± 2,5%, НКПР сигнализация 4...20 мА, СК, RS-232, RS-485 СГГ-20 lExibdsIICT6 Термохимический CH, CH4, C3H8 0...50%, НКПР (горю- чие газы и пары) ±5 СК ГИАМ-29 (переносной) Оптико- абсорбционный co XCH 0...5,0...10; 0...1000,0...5000 ppm ±5 СК, RS-232 ГИАМ-315 lExibdIIBT6 (переносной) Оптико- абсорбционный co 1CH 0...3000 мг/м3 + 75 мг/м3 (0...300); ± 25 (300...3000) СК Оптогаз-500.7 Оптогаз-500.8 Оптико- абсорбционный co co2 0...1000,1000...2000 ppm (ХСН); 0...5000 ррш (СО) ± 3,5% (СО), ± 5% (ХСН) СК ГТВ-1101 вз lExdIICT6 (стационарный) Термокондукто- метрический ДО 0...1,0...2,0...3; 0...1,0...2,0...3, 50... 100, 70... 100 ±5 ±5 СК ГАУ-Д-М1 (стационарный) Термоконд-й; Оптико- абсорбционный H2 co co2 0...20; 0...50; 0...30 ±2 0...5.МА; 4...20 мА, 0...10В ГТМ-5101 ВЗ lExdIICT6 (стационарный) Термомагнитный O2 0...2,0...5,0...10, 0...30,0...50 ±2,5; ± 4 0...5;4...20 мА, СК ГАММА-100 (стационарный) Термокондукто- метрический co2,h2,n2 СО2: 0...50,40...100 Н2:0...1,0...5,0...10, 0...50, 0...100, 50..100 80... 100, 90... 100; N2: 0...20, 0...60, 60... 100, 80... 100; ± (2...10) 0...5,4...20 мА, СК, RS-232, RS-485
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 73 Окончание табл. 1.42 1 2 3 4 5 6 ГАММА-100 (стационарный) Термомагнитный О2 0-1,0—2,0...5,0...10, 0...50,0.-100,80...100, 95...100 ± (2...I0) 0...5,4...20 mA, CK, RS-232, RS-485 Оптико- абсорбционный СО, СО2, сн4, so2 CO: 0...1,0...2,0...5, 0—10,0...50,0...100; CO2:0—1,0...2,0...5. 0—10,0—50,0—100, 40-100,90—100; CH4: 0...1,0...2, 0...5, 0...10,0-50,0.-100; SO2:0...2,0...5,0...10, 0-20, 0...60 ± (2... 10) 0...5,4...20 mA, CK, RS-232, RS-485 КЕДР Оптико- акустический со, со2, сн„, С2Н2, NH3, SO2, NO, N2O ОтО... 0,005%об. до 0-.100%об. (CO,CO2, SO2, N2O, CH4); ОтО...0,05%об. до 0...100%об. (NH3, C2H2); ОтО—0,01%об. до 0—100%об. (NO) CH4, CO, CO2, N2O: ± (4...10); NH3, SO2, NO: ±6; N2O:±(4...10) 0...5 mA ТМО2-ТС (GE Panametrics) Термокондукто- метрический H2, CO2, He, so2 0...1,0...2,0...5.0...10, 0...25,0—50,0-100, 80-100,90.-100 ±2 4...20 mA ULTRAMAT 6 (Siemens) Оптико- абсорбционный (2...9 мкм) co,co2,no, NH3, CH4, УСН ОтО... 5%об. до 0...100%об. ±0,5 Profibus DP/ PA, RS-485, 4..20 mA ULTRAMAT 23 (Siemens') Оптико- абсорбционный CO, CO2, NO, O, 0...300 ppm (NO, SO2) 0...2000 ppm (CO), 0—20%o6. (CO2), 0...25%o6. (O2) ±(4-15) Profibus DP/ PA, 4...20 mA, CK OXYMAT 6 (Siemens) Термомагнитный o2 От 0-0,5% до 0.-100% ± 1,5 Profibus DP/PA FIDAMAT (Siemens) Пламенно- ионизационный XCH ОтО... 10 ppm до 0...999999 ppm ±2,5 RS-485,4...20 mA Binos 100 (Emerson Process Management) Оптико- абсорбционный, электро- химический O2, CO2, CO, CH„, (2 канала) 0.-21% O2 + 2 RS-232, 4...20 mA Oxymitter 4000 (Emerson Process Management) Сенсор на основе оксида циркония O2 0-21% O2 ±2 HART 1.5.1.2 Термомагнитные газоанализаторы Принцип действия термомагнитного газоанализатора основан на зависимости объемной магнитной восприимчивости парамагнитного газа (кислород, азот, воз- дух, а также NO и NO2), от температуры при прохождении газовой смеси в магнит- ном поле, от его концентрации в исследуемой газовой смеси [1.77]. Способностью к намагничиванию в направлении приложенного магнитного поля обладают парамагнитные газы, к числу которых относится, прежде всего, кис- лород. Магнитные моменты атомов или молекул парамагнитного газа стремятся рас-
74 ГЛАВА 1 положиться по направлению, т. е. вдоль магнитного поля. Парамагнитная восприим- чивость у этих газов уменьшается с увеличением температуры. Как известно, намагниченность (/) пропорциональна напряженности Н магнит- ного поля: J = х • Н, где \ — магнитная восприимчивость. Вещества, для которых у> О, называются парамагнетиками, вещества, для которых у < О, называются диамагнети- ками. Из всех газов наибольшей магнитной восприимчивостью обладает кислород, магнитная восприимчивость которого на 2-3 порядка выше, чем у других газов. Это позволяет выделить процентное содержание кислорода в смеси с другими газами. Метод, основанный на использовании парамагнитных свойств газа, находящегося в магнитном поле при его нагреве, называется термомагнитным методом. Термомагнитный газоанализатор представляет собой мостовую схему, двумя смежными плечами которой являются платиновые нагреватели, навитые на стеклян- ную трубчатую перемычку кольцевой камеры, при этом одно из плеч находится в постоянном магнитном поле. Двумя другими плечами моста служат постоянные резисторы. Анализируемая смесь поступает в кольцевую камеру, где часть потока ответвляется, втягиваясь в трубчатую перемычку и нагреваясь в магнитном поле. При этом объемная магнитная восприимчивость газа уменьшается. В результате на- гретая газовая смесь вытесняется более холодной, образуя вдоль перемычки поток термомагнитной конвекции. Этот направленный поток вызывает по ходу движения охлаждение одного платинового терморезистора и нагрев другого, в результате чего изменяется их сопротивление и мост выходит из равновесия. Сигнал разбаланса мо- ста является функцией процентного содержания кислорода в смеси. Источниками погрешности термомагнитного газоанализатора являются коле- бания температуры, расхода анализируемой смеси и напряженности магнитного поля. Технические характеристики термомагнитных газоанализаторов приведены в табл. 1.42. 1.5.1.3 Термохимические газоанализаторы Принцип действия термохимического газоанализатора основан на тепловом эффекте реакции каталитического окисления анализируемого газа. Окисление (го- рение) происходит на каталитически активной платиновой нити, являющейся тер- мосопротивлением мостовой схемы, или в слое катализатора, температура реакции которого измеряется датчиком температуры [1.74]. В приборах первой группы анализ газа основан на повышении температуры нити при сгорании анализируемого компонента. Температура нити Т = f(q, а, и), где q— удельная теплота горения; а — коэффициент, характеризующий полноту реакции; и — число молей прореагировавшего вещества. Схема газоанализатора представляет собой мостовую схему, в одном из плеч которой находится проточная рабочая камера. В другом плече мостовой схемы — сравнительная камера, заполненная воздухом. Двумя другими плечами моста служат постоянные резисторы. При сгорании анализируемого компонента в рабочей камере повышается температура, что приводит к повышению сопротивления платиновой нити и разбалансу мостовой схемы. Ток в диагонали моста является функцией со- держания анализируемого компонента в газовой смеси. Термохимические газоанализаторы, у которых реакция окисления осуществля- ется в слое насыпного катализатора, включают два термометра сопротивления, один из которых (рабочий) измеряет температуру реакции в слое катализатора, а другой
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 75 Рис. 1.39 (сравнительный) — в слое инертной массы. Термодатчики включены в смежные плечи мостовой схемы. Анализируе- мый газ последовательно проходит через сравнительную и рабочую камеры. При нахождении в газовой смеси ана- лизируемого компонента в рабочей камере со слоем ката- лизатора возникает экзотермическая реакция с выделени- ем тепла, в результате чего увеличивается сопротивление рабочего термодатчика и происходит разбаланс моста с появлением в диагонали тока, пропорционального содер- жанию измеряемого компонента. На рис. 1.39 показан термохимический газоанализатор СТМ-10. Погрешности термохимических газоанализаторов зависят от колебаний температуры окружающей среды, расхода анализируемого газа, активности катализатора. Термохимический ме- тод используется для определения концентрации большого числа газов (СО, О2, H2S, SO2, NO2, СН4 и др. горючих тазов), паров органических соединений (спиртов, эфи- ров и кислот). Технические характеристики термохимических газоанализаторов приведены в табл. 1.42. 1.5.1.4 Электрохимические газоанализаторы Электрохимические газоанализаторы широко применяются для непрерывного контроля микроконцентраций токсичных газов (СО, H2S, SO2, С12 и др.) на уровне ПДК рабочей зоны, а также микроконцентраций одних газов (например, кислорода) в других (например, водороде, аргоне, гелии, этилене и др.) [1.82]. Принцип действия газоанализаторов основан на измерении электропроводности растворов, абсорбирующих анализируемый компонент газовой смеси. Анализируе- мый газ принудительно поступает через капилляр в рабочую емкость и измерительную ячейку, в которых находится поглотительный раствор. Анализируемый компонент аб- сорбируется раствором, подаваемым в систему с постоянным расходом, и проходящим последовательно через участок со сравнительными электродами и затем через измери- тельную ячейку с рабочими электродами. Разность значений проводимости раствора до и после абсорбции является функцией концентрации анализируемого компонента. Газоанализаторы, основанные на этом методе, называются кондуктометрически- ми газоанализаторами. Другой разновидностью электрохимического метода является кулонометрический метод, основанный на измерении силы тока при электролизе рас- твора, содержащего измеряемый компонент (газ), при контролируемом потенциале измерительного электрода. Измерительный электрод находится в камере с раствором электролита, через который барботируется газовая смесь. Анализируемый компонент взаимодействует с реагентом, который окисляется на измерительном электроде. Напри- мер, при измерении концентрации SO2 в качестве реагента используется йод, а электро- литом служит 5%-ный раствор серной кислоты [1.82]. Потенциал подводится к измери- тельному и к вспомогательному электроду, который отделен от раствора ионообменной мембраной. При постоянном расходе газовой смеси ток электролиза является функцией содержания анализируемого газа. В других схемах электрохимических газоанализато- ров могут использоваться твердоэлектролитные измерительные электроды. Возможность измерения микроконцентраций газов с высокой точностью явля- ется одним из главных преимуществ электрохимических газоанализаторов.
76 ГЛАВА 1 К числу анализируемых компонентов помимо токсичных газов относится микро- концентрация кислорода в газовой среде. Технические характеристики электрохими- ческих газоанализаторов приведены в табл. 1.42. 1.5.1.5 Оптико-абсорбционные газоанализаторы Принцип действия оптико-абсорбционного (оптико-акустического) газоана- лизатора основан на зависимости избирательного поглощения электромагнитного излучения, проходящего через камеры (кюветы), заполненные измеряемым компо- нентом (анализируемым газом), от концентрации. Для газового анализа в настоящее время используются два участка спектра, — ультрафиолетовый (0,2...0,4 мкм) и ин- фракрасный (2... 10 мкм). Зависимость степени поглощения излучения от концентра- ции измеряемого компонента определяется законом Бугера-Ламберта-Бера: фщф0/‘С'. где Ф0А и ФА — монохроматические потоки излучения до и после кюветы шириной I с анализируемым газом; ех — коэффициент поглощения излучения анализируемым газом; С — концентрация газа. Поток излучения Фх, поглощенный анализируемым газом, равен: ФА(С) = 1-е^\ где Da = £ I • С — оптическая плотность анализируемого компонента на длине волны X. Принципиальная схема оптико-абсорбционного газоанализатора представляет собой один или два канала, включающие осветитель, селективный фильтр (моно- хроматор), рабочую камеру с анализируемым газом (при 2-канальной схеме также сравнительную камеру с чистым газом, не поглощающим излучение в данном спек- тре длин волн), фотоприемник(и), микропроцессорную схему обработки сигнала, а также показывающее и сигнализирующее устройства [1.70,1.71-1.75]. Особенностью схем оптико-абсорбционных газоанализаторов является тщатель- ный выбор всего оптического тракта — спектральной характеристики фильтра, гаран- тирующего максимум поглощения излучения измеряемым компонентом в выделенной фильтром области спектра; габаритов кюветы, определяющих оптическую плотность компонента на данной длине волны; наличие абтюратора потока излучения для усиле- ния по переменному току и снижения погрешности от амплитудных факторов. Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения используются для измерения концентрации СО, СО2, СН4, SO2, NO, NO2, С12 и паров ртути. В качестве компен- саторов светового потока в двухканальных схемах газоанализатора используются оптический клин, заслонка или реохорд, включенный в вершину измерительной диа- гонали мостовой схемы, двумя плечами которой служат фотоприемники излучений, прошедших через рабочую и сравнительную кюветы. В качестве источников ультра- фиолетового излучения используются ртутные лампы, а в качестве приемников из- лучения — фотодиоды и фоторезисторы. В газоанализаторах инфракрасного излучения в качестве приемников ИК- излучения используются оптико-акустические преобразователи, преобразующие тепловое воздействие ПК-лучей в давление газа, находящегося в постоянном зам- кнутом объеме. При прерывистом за счет абтюратора потоке излучения в преобразо- вателе изменяется давление с частотой прерывания излучения (5...6 Гц). Пульсация давлений между рабочей и сравнительной камерами при компенсационной схеме из-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 77 Рис. 1.40 Рис. 1.41 мерения воспринимается мембраной, которая является одной из обкладок конденса- торного микрофона. Амплитуда колебаний, зависящая от разности давлений в двух камерах, является функцией концентрации анализируемого компонента. Усиленный от конденсаторного микрофона сигнал поступает на вход электронного преобразо- вателя, формирующего унифицированный выходной сигнал. В качестве источника ИК-излучения используется нагретая примерно до 800°C хромоникелевая проволока. ИК-излучение проходит через окна, изготовленные из материалов, пропускающих ИК-излучение. К таким материалам относится, напри- мер, флюорит. На рис. 1.40 представлен общий вид газоанализатора ULTRAMAT6 фирмы Siemens. На рис. 1.41 приведен общий вид газоанализатора кислорода «Oxymat 6» фирмы Siemens. Погрешность измерения оптико-абсорбционных газоанализато- ров составляет ±4...5%. Характеристики оптико-абсорбционных газоанализаторов приведены в табл. 1.42. 1.5.1.6 Пламенно-ионизационные газоанализаторы Принцип действия газоанализаторов основан на ионизации молекул органиче- ских веществ в водородном пламени с последующим измерением ионизационного тока как функции процентного содержания анализируемого газа. Пламенно-ионизационные газоанализаторы применяются для определения до- взрывных концентраций бензола, стирола, дихлорэтана, хлорвинила и др. Газоанализа- тор представляет собой горелку, куда поступает водород и анализируемый газ. Горелка представляет собой один из электродов под напряжением 200.. .300 В. Вторым электро- дом является цилиндрическая насадка (коллектор) из платины или титана, к которой подведен второй (положительный) потенциал. Горелка с насадкой находятся внутри ионизационной камеры, в которую для поддержания горения подается воздух. При отсутствии в анализируемом газе органических компонентов электропро- водность водородного пламени низкая. При повышении концентрации анализируе- мого компонента проводимость пламени повышается и в цепи коллектор-горелка возникает ионизационный ток, создающий на входе высокоомного усилителя напря- жение, величина которого пропорциональна концентрации анализируемого газа. Технические характеристики пламенно-ионизационных газоанализаторов при- ведены в табл. 1.42. Известны также фотоколориметрические и денсиметрические газоанализаторы. Фотоколориметрические газоанализаторы основаны на изменении цвета опре- деленных веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси.
78 ГЛАВА 1 Изменение оптической плотности раствора является функцией концентрации. Эти газоанализаторы применяются для измерения микроконцентраций токсичных при- месей в газовых смесях — сероводорода, окислов азота и некоторых др. Денсиметрические газоанализаторы основаны на измерении плотности газовой смеси. Применяются для определения содержания углекислого газа, плотность кото- рого в 1,5 раза больше плотности воздуха. 1.5.1.7 Хроматографы В хроматографах используется хроматографический метод определения каче- ственных и количественных характеристик газообразных и жидких смесей. Этот ме- тод основан на разделении анализируемой смеси на составляющие ее компоненты за счет их адсорбции при движении смеси вдоль слоя сорбента. Поглощение веществ из потока жидкости или газа, перемещающегося по слою сорбента (неподвижная фаза в виде твердых или жидких поглотителей), происходит с различной скоростью, что определяется временной зависимостью сигнала детектора. Величина сигнала детекто- ра (мВ • см3/мг) пропорциональна содержанию анализируемого компонента. При на- личии в смеси нескольких компонентов входной сигнал детектора представляет собой хроматограмму, каждый пик которой определяет компоненту анализируемой смеси, а площадь пика — процентное объемное содержание этого компонента в смеси. В зависимости от фазового состояния анализируемой смеси хроматографы раз- деляют на газовые и жидкостные. Газовые хроматографы применяются для качественного и количественного анали- за веществ в широком интервале температур (до 400 °C) и давлений (до 60 МПа). Проба анализируемого газа (от 0,1 до 10 мл) вводится в хроматографическую колонку в поток газа-носителя с помощью дозатора. В качестве газа-носителя используются азот, гелий, аргон, воздух, водород; в качестве сорбента — твердое порошкообразное вещество (твердый адсорбент). В качестве адсорбентов применяются угли, пористые полимеры, окись алюминия и другие материалы, устойчивые к высокой температуре. Хроматографическая колонка пред- ставляет собой трубку из стекла или ме- талла прямой, U-образной или спиральной формы. Длина колонки может быть от не- скольких сантиметров до нескольких ме- тров, внутренний диаметр трубки от 0,5 до 3 мм. Чем длиннее трубка, тем более четкое разделение компонентов смеси. Для под- держания постоянства температуры сор- бента, влияющей на качественные харак- теристики анализа, хроматографическая Рис. 1.42 Рис. 1.43 колонка устанавливается в термостат. На рис. 1.42 представлен общий вид газового хроматографа MicroSAM, а на рис. 1.43 — газового хроматографа PGG Р302 (модель II) фирмы Siemens. В качестве детекторов хроматографов используются термокондуктометрические, пламенно-ионизационные, фотометрические и др. детекторы. Принцип действия термокондуктометрических и пламенно-ионизационных де- текторов такой же, как у газоанализаторов, рассмотренных выше. При этом чувстви- тельность последних выше, чем у термокондуктометрических детекторов.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 79 Принцип действия фотометрического детектора основан на измерении излуче- ния анализируемого газа в водородном пламени. Так, интенсивность излучения S2 при разложении серосодержащих соединений проявляется в диапазоне длин волн от 0,35 до 0,45 мкм. Поток излучения измеряется фотоприемником и преобразуется далее в выходной унифицированный сигнал. Жидкостные хроматографы используются для анализа большого числа смесей при более низких температурах, не вызывающих их разрушения. К таким компонентам от- носятся аминокислоты, жиры, углеводы, пестициды, гербициды, лекарственные пре- параты. В табл. 1.43 представлены технические характеристики хроматографов. Таблица 1.43. Характеристики хроматографов Тип Детектор Число каналов, газ-носитель Диапазон измерения Диапазон темпе- ратур термостата колонок, °C Выходной сигнал 1 ТХМ-2000М ДТП, ПИД, ТИД, ТХД, ФИД, ЭЗД Одновремен- ное измерение до 3-х параме- тров Пропан: 4 Ю-10 г/мл. Бензол: 2 • 1012 г/см3- Водород: 8 • 10 10 г/см3- Объем дозы: 0,5; 1; 2 см3 50...400 RS-232 Газохром-2000-01 ДТП.ДТХ Газ-носитель: гелий, азот Н2: 1 10 3 %об. СО: 3 • 10 3 %об. СН„: 1 103 %об. СО2:5 - 102 %об. О2:6,5 • 10 4 %рб 50...200 RS-232 Газохром-2000-02 ПИД Газ-носитель: азот Пропан: 2 • 1(?5 %об. 50...200 RS-232, USB ПОТОК-2000 IExdIIAT4 Микрокатаро- метр 4 канала Пропан: 2 10~7 г/см3; сг..с6, со,со2 30...200 RS-232 Микрохром 1121-4/5/6 [ExdesIIBT4/H2X ДТП Газ-носитель: гелий Мод. 4: жидкость: (310~7г/см3). Мод. 5: газ (пропан: 2 10~7% об.). Мод. 6: содерж. О2 и N2 50...200 RS-232 Интерхром-2003 lExdemIIBT4 процессы не- । фтепереработки, газодобычи) ДТП Пропан: 2 10-7 г/см3 Октан: 3 10 'т г/см3 Объем дозы: 0,12...4 см3 (газ) 2 • 10"3 см3 (жидкость) 50...200 RS-232 MicroSAM (Siemens) WLD (ДТП) 1 Предел детектирования 0,5 • 10-9 г/мл -40...200 Ethernet Maxum edition II (Siemens) FID (ПИД), WLD (ДТП), HID (ФИД), ECD (ЭЗД), PFD Газ-носитель: N2, Не, Н2 50...200 Ethernet RGC 202 mod. II (Siemens) FID (ПИД), WLD (ДТП), ECD (ЭЗД), PFD (ПФД) Газ-носитель: сжатый воздух 5...400 Ethernet RGC 302 mod. II (Siemens) 5...260 Ethernet GC 1000 Mark II (Yokogawa) TCD, FID, PFD Газ, жидкость. Число по- токов— 31; Число компо- нентов — 255 N2, Не, Ar, Н2 (1 или 2), 0...300 мл/мин; TCD: 10 ppm... 100%; FID: 1 ppm... 100%; FPD: 1 ppm...0,1% 0...450 4...20mA,CK, RS-232, RS422 ЖК- индикагор ДТП — детектор по теплопроводности; ПИД — пламенно-ионизационный детектор; ФИД — фотоио- низационный детектор; ЭЗД — электронно-захватный детектор; ТИД — термоионный детектор; ТХД — термохимический детектор.
80 ГЛАВА 1 1.5.1.8 Влагомеры (гигрометры) Влагомеры применяются для измерения абсолютной или относительной влаж- ности газов, а также твердых веществ. Абсолютная влажность газа (г/м3, кг/м3) равна массе водяного пара, содержащегося в единице объема парогазовой смеси. Относи- тельная влажность газа (%) — это отношение фактической влажности к предельной влажности для анализируемого газа при данной температуре. Принцип действия гигрометров газов основан на одном из 3-х методов: психро- метрическом, методе точки росы и сорбционном (поглотительном). Психрометрический метод основан на зависимости степени охлаждения поверх- ности увлажненного тела от влажности газа. Чем меньше влажность газа, тем больше интенсивность испарения и тем ниже температура увлажненного тела. При измере- нии этим методом гигрометр имеет два термометра, один из которых («мокрый») по- стоянно соприкасается с увлажненным гигроскопическим телом, получающим влагу из кюветы. При испарении влаги с увлажненного тела его температура понижается. Разность температур «сухого» и «мокрого» термометров определяет относительную влажность газа. Для повышения точности и быстродействия «мокрый» термометр постоянно обдувается газовым потоком (воздухом) со скоростью 3...4 м/с. При низ- ких температурах примерно от -10 до +5 °C в качестве смачивающего раствора ис- пользуется 3%-ный водный раствор формальдегида. Преимущество психрометрического метода — точность и быстродействие, недо- статки — увеличение погрешности при низких температурах, необходимость стаби- лизации расхода и давления газа при обдуве. Метод точки росы основан на охлаждении газа до состояния насыщения (точки росы) и измерении температуры насыщения. Для нахождения точки росы исполь- зуют зеркальную поверхность охлаждаемого металлического зеркала, появление конденсата на поверхности которого ослабляет отражаемый этой поверхностью све- товой поток. Фотоэлемент фиксирует наличие конденсата на поверхности зеркала, температура которого в этот момент пропорциональна влажности газа. Среди сорбционных (поглотительных) методов получили применение пьезо- сорбционные, кулонометрические и емкостной методы. Принцип действия пьезосорбционных гигрометров основан на зависимости частоты колебаний пьезосорбционного чувствительного элемента, покрытого сло- ем сорбента, от относительной влажности газовой смеси. В результате сорбции или десорбции водяных паров пленкой сорбента изменяется масса покрытия и, как следствие, частота колебаний пьезосорбционного чувствительного элемента. К до- стоинствам пьезосорбционного гигрометра относятся высокая чувствительность и быстродействие. К недостаткам — необходимость индивидуальной градуировки на газовых смесях заданной влажности. В кулонометрических гигрометрах используется явление поглощения влаги из анализируемого газового потока пленкой гидрофильного вещества (фосфорного ан- гидрида или пятиокиси фосфора) с одновременным разложением поглощенной воды под действием приложенного напряжения на водород и кислород. В установившемся режиме сила тока электролиза является функцией влажности анализируемого газа. Гигрометр представляет собой трубку с двумя электродами в виде спирали, между витками которых нанесена пленка пятиокиси фосфора. Внутрь трубки продувается анализируемый газ (расход 100... 150 л/ч). Продукты электролиза воды (водород и кислород) уносятся потоком газа.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 81 Преимущество кулонометричексих гигрометров — независимость показаний от состава газа и отсутствие требований в индивидуальной градуировке. Недостаток — требование ограничения в анализируемом газе щелочных компонентов. Емкостной метод основан на изменении электрической емкости чувствительного элемента и преобразовании этого изменения в электрический сигнал с учетом вели- чины компенсации температурной зависимости. Емкостной датчик представляет со- бой плоский конденсатор с электродами из пористой платины с полимерным запол- нением межэлектродного пространства. Под действием влаги полимер расширяется, что приводит к изменению емкости конденсатора. Наличие пыли в окружающей сре- де измерения увеличивает погрешность датчика. Достоинством емкостного датчика является малое время установления показаний (от 10 до 30 с), широкий диапазон измерения по температуре (от -40 °C до +85 °C). Принцип действия датчиков фирмы Mela (Германия) основан на емкостном мето- де. Влагозависимый конденсатор состоит из слоев, включающих в себя основу — кера мический субстрат, систему электродов и слой золота, проницаемый для паров воды, а также влагочувствительный полимер. Емкость такого конденсатора пропорциональна относительной влажности окружающей среды. К преимуществам чувствительного эле- мента относятся практически линейное изменение характеристик, хорошие динамиче- ские характеристики, гигростабильность и большой диапазон измерения. 0... 100% RH (Relative Humidity — относительная влажность). Гигростабильность чувствительного элемента обеспечивает устойчивость его к росе, так как конденсирующаяся на поверх- ности вода не вызывает каких-либо повреждений. Однако, правильные показания можно получать только после того, как вода с поверхности будет полностью удалена. Чувствительные элементы могут использоваться вплоть до уровня абсолютной влаж- ности, соответствующего температуре точке росы 60 °C. В течение непродолжительно- го времени эти элементы можно использовать до температур точки росы порядка 90°C. При использовании вместе с защитной рамкой влагочувствительные элементы могут эксплуатироваться при температурах от -40 до 110 °C. Фирма Mela производит датчики относительной влажности и температуры типов RC и PC стержневого типа (выходной сигнал 4...20 мА, 0... 10 В, погрешность ±2%), датчики влажности и температуры KL, WL, PL (выходной сигнал 4...20 мА, 0... 10В, погрешность ±3%), датчики влажности и температуры VRX.D (выходной сигнал 4...20 мА, 0...10 В, давление до 2,5 МПа, температура - 40...+80°С) и др. Диапазон измерения относительной влажности 0...100%. Изме- рение температуры осуществляется платиновым тер- мометром сопротивления, погрешность ± 0,2 °C. На- пряжение питания датчиков 15...24 VDCили 24 VAC. В датчике влажности фирмы JUMO измеритель- ный полимерный элемент состоит из множества нитей, в каждой из которых содержится до 90 волокон диа- метром 0,003 мм. Под действием влаги волокна приоб- ретают гигроскопические свойства, заключающиеся в том, что с абсорбцией влаги волокна удлиняются, что служит мерой относительной влажности. С помощью точной механики это удлинение преобразуется в изме- нение состояния коммутационного элемента (микро- выключатель).
82 ГЛАВА ) В анализаторах влажности газов фирмы GE Parametrics используются тонкопле- ночные чувствительные элементы на основе оксида алюминия (анализаторы влаж- ности MIS1, MIS2, MMS3 и др.). На рис. 1.44, а представлен измерительный преобразователь влажности РОСА-10 НПП «Элемер», а на рис. 1.44, б— датчики влажности RC и PC фирмы Mela (Германия). Измерение влажности твердых тел в промышленности осуществляется косвен- ными методами, к которым относятся кондуктометрический, диэлькометрический, СВЧ-метод, метод ядерного магнитного резонанса и ряд др. Технические характеристики влагомеров газов приведены в табл. 1.44 Таблица 1.44. Характеристики влагомеров газов Тип (Фирма) Измеряемая величина Диапазон измерения Погрешность Выходной сигнал Габариты, мм Роса-10 (НПП «Элемер») Абсолютная влажность Относит, влажность 0...18 г/м3 О...1ОО% + 2% 4...20 мА; дисплей Длина: 100... 1000 ИПТВ056 (НПП «Элемер») Относительная влажность 0...100% ± 1; дополн. погреш. при изменении т-ры газа на 10 °C +1,5 0...5 мА (4...20 мА) Длина: 100... 1000 Термодат-38СН1 («Системы контроля») Относительная влажность О...1ОО% ±2% Релейный-4 — ИВТМ-7 МК-с («ИРЭТ») Относительная влажность О...99% + 2% 0...5 мА, RS-232 20x15x210 ЭЛИРОС22 (НПО «ОВЕН») Абсолютная и относит, влажность, температура 0. ..100%; -40...+120 °C; -200...+800 °C + 5% USB 2.0 93x28x260 RC.PC («МЕМ») Относительная влажность, температура О...1ОО%, -40...+80 °C ±2% 4...20 мА; 0...10В Длина: RC:182; PC: 145 Symaro QFA66 (Siemens) Относительная влаж- ность, температура О...1ОО% + 2% 0...10 VDC — TESTO 615/625 (TESTOAG) Относительная влаж- ность, температура 5...95% + 3% 9VDC 190x57x42 Moisture Image Series 1 (2) (GE Panametrics) Точка росы, темпера- тура и давление газов и жидкостей (от 1 до 6 каналов каждый параметр) От -ПО до + 60 °C; 1 Па...34 МПа; -30...+70 °C ±2 °C; + 0,5%; + 0,5% 4...20 мА; 0...2В; RS-232; дисплей Исполнение: настольное, щитовое, стоечное 1.5.2 Анализаторы жидкости Анализ состава и свойств жидкостей осуществляется различными методами, в том числе кондуктометрическими, потенциометрическими, диэлькометрическими и др. 1.5.2.1 Кондуктометры При растворении электролитов процесс диссоциации характеризуется степенью диссоциации а, которая равна отношению числа распавшихся на ионы молекул к общему числу молекул, существовавших до распада. При а~1 раствор является силь- ным электролитом, а при а» 0 — неэлектролитом. Слабые электролиты характеризу- ются величиной 0<а« 1.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 83 Способность вещества проводить электрический ток определяется величиной удельной электрической проводимости у0 (См/см). Если у есть величина, обратная электрическому сопротивлению раствора, то удельная электрическая проводимость у0 есть величина, обратная удельному электрическому сопротивлению: Хо = 1 /р = UR -lls = \- Us, ом"1 • см”1- Величина l/s (см-1) называется постоянной электролитической ячейки с площа- дью электродов s (см2) и расстоянием между электродами / (см). Проводимость слоя электролита шириной I см, помещенного между электрода- ми, при объеме слоя, содержащего 1 моль растворенного вещества, называется экви- валентной электрической проводимостью X. Эквивалентная и удельная электриче- ские проводимости связаны между собой зависимостью: Х = Хо/С, где С — концентрация электролита, моль/мл. Таким образом, концентрация раствора может быть определена по его удельной электропроводности: Хо = X • С. При кондуктометрических измерениях применяются двух- , трех- и четырех- электродные измерительные ячейки. При протекании тока (постоянного или пере- менного) через электроды двухэлектродной ячейки потенциал электродов изменя- ется. Процесс изменения потенциала электрода при прохождении тока называется поляризацией. Для снижения поляризационных явлений, приводящих к увели- чению погрешности измерения, используют четырехэлектродные измеритель- ные ячейки, в которых два крайних электрода служат для подвода питания, а два средних (измерительных) — для снятия потенциала раствора. При трехэлектрод- ной ячейке крайние электроды соединяются между собой и вместе с внутренним электродом образуют две параллельно включенные двухэлектродные ячейки. Такая схема обеспечивает снижение наводок на измерительные цепи кондуктометра. По наличию или отсутствию гальванического контакта электродов с анализируе- мым раствором различают контактные и бесконтактные кондуктометры. Схема контактного кондуктометра представляет собой мостовую схему, в одно из плеч которой включена кондуктометрическая ячейка. При изменении концен- трации раствора изменяется сопротивление Rx измерительной ячейки, мост вы- ходит из равновесия и сигнал разбаланса моста пропорционален величине изме- нения концентрации раствора. Поскольку электрическая проводимость раствора существенно зависит от его температуры, исследуемый раствор необходимо тер- мостатировать или вводить температурную компенсацию, измеряя температуру раствора. Помимо контактной кондуктометрии для измерения концентрации растворов используется бесконтактная низкочастотная и высокочастотная кондуктометрия. В бесконтактной низкочастотной кондуктометрии используется промышленная или повышенная частота и трансформаторная схема измерения силы тока, наведенного в растворе электролита, представляющего собой вторичную обмотку трансформатора. Сила тока, зависящая от наведенной в растворе ЭДС и сопротивления раствора, про- порциональна концентрации раствора. В бесконтактной высокочастотной кондуктометрии используется высокочастот- ное электромагнитное поле, взаимодействующее с раствором, находящимся в ем-
84 ГЛАВА 1 костной или индуктивной ячейке. В результате этого взаимодействия изменяется ак- тивное и реактивное сопротивление цепи. В практике нашли применение проточные емкостные измерительные ячейки. Концентрация раствора определяется по сумме активной и реактивной составляющих проводимости. •Индуктивные измерительные ячейки (проточные и погружные) представляют собой индуктор, электромагнитное поле которого наводит ЭДС в растворе, нахо- дящемся внутри индуктора в трубе (емкости) из диэлектрика. При изменении элек- трической проводимости раствора изменяется величина потерь и импеданс (полное сопротивление) индуктора. Активная составляющая импеданса, пропорциональная концентрации раствора, определяется также параметрами индуктора (радиус и чис- ло витков индуктора), индуктивностью и емкостью измерительной ячейки и часто- той высокочастотного поля индуктора. Поскольку на проводимость раствора оказывает влияние температура, необ- ходимо термостатировать измерительную ячейку, либо компенсировать изменение температуры с помощью корректирующих цепей. На кондуктометрическом методе анализа основаны, помимо концентратомеров, также солемеры и сигнализаторы электрической проводимости растворов. В табл. 1.45 представлены технические характеристики кондуктометрических анализаторов жидкости. Таблица 1.45. Характеристики кондуктометрических анализаторов жидкости Наименование Тип Диапазон измерения, мкСм/см Температу- ра среды, °C Давление среды, МПа Погреш- ность, % Выходной сигнал Датчик электро- проводности (Endress+Hauser) CLS12 CLS13 CLS15 CLS21 CLS50 CLS52 0,04...20; 0,1...200 0,04...20; 0,1...200 0,04...20;!...200 10...20000 5...2000 0...2000 160 250 130 160 180 125 4,0 4,0 1,2 1,6 1,6 1,6 ±5; ±10 мкСм/см Преобразователь (Endress+Hauser) МуРго CLM431/CLD 431 0...2000 250 — ±0,5 HART, 4...20 мА Преобразователь (Endress+Hauser) SmartecS CLD132 10... 2000 140 1,6 ±0,5 СК, HART, Profibus РА Преобразователь проводимости и сопротивления (Endress+Hauser) Mycom СРМ152/ CLM152 Ex 5... 2000; 0,2 кОм см 20 МОм см — — ±0,5 2х(4...2О) мА, HART, Profibus РА Преобразователь проводимости и сопротивления (Endress+Hauser) Liquisys S CLM 223/253 0... 2000; 0...86 МОм-см — — ±0,5 СК, 4...20 мА, HART, Profibus РА Измеритель проводимости и концентрации (Yokogawa) SC 150; SC 202/402 0,1 мкСм/см ...1,0 См/см -20...250; 0...105 1,0 ±1 СК, 4...20 мА, HART Концентратомер AKK-201 1 10-5...1 См/м 10... 100 0,5 ±0,5 0... 100 мВ Концентратомер КНЧ-1М 1... 100 См/м 30...85 1,0 ±1; ±2,5 0...5 мА
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 85 Принцип устройства датчика электропроводности рассмотрим на примере ин- дуктивной измерительной ячейки проводимости CLS 50, представляющей собой стержень с кольцеобразным сенсором на конце (диаметр отверстия 15 мм). Катушка излучения сенсора генерирует переменное магнитное поле, которое индуцирует элек- трический потенциал в жидкости. Присутствующие в жидкости ионы образуют ток, величина которого пропорциональна концентрации ионов раствора. Концентрация ионов непосредственно связана с электропроводностью раствора. Ток, возникающий в жидкости, генерирует переменное магнитное поле в приемной катушке сенсора, который измеряется с помощью трансмиттера Mycom CLM 152, Liquisys CLM 223/253 и др. Сенсор устанавливается в тройниках на трубы диаметром не менее 70 мм, так как расстояние сенсора от стенки трубы не должно быть менее 30 мм. Диапазон из- мерения CLS 50 от 5 мкСм/см до 2000 мСм/см, постоянная ячейки — 2 см1. Одно- временно с измерением электропроводности с помощью термометра сопротивления PtlOO осуществляется контроль температуры раствора. 1.5.2.2 pH-метры Для измерения активности ионов водорода, характеризующей кислотные или щелочные свойства раствора, используется потенциометрический метод измерения разности потенциалов двух электродов, помещенных в анализируемый раствор. Вещество, растворимое в воде, диссоциирует под воздействием воды, которая в свою очередь диссоциирует на ионы водорода и гидроксила: Н2О <-> [ Н+] + [ он-] Процессы электролитической диссоциации и воссоединения из ионов молекул воды протекают с определенной скоростью. Константа диссоциации воды К = К [Н2О] = [Н+] • [ОН-] = 1014. Так как количество водородных и гидроксильных ионов при диссоциации мо- лекул воды одинаково, концентрация каждого из них равна 10-7. Водный раствор, в котором число водородных ионов [Н+] равно числу гидроксильных ионов [ОН-] называется нейтральным. Для более удобного выражения концентрации водородных ионов датский химик Зеренсен ввел понятие водородного потенциала pH, как десятичного логарифма кон- центрации ионов водорода, взятого с обратным знаком: pH = -lg|H+] (в соответствии с определением Зеренсена «р» — начальная буква датского словаpotenz или «степень», а Н — химический символ водорода). Активность водородных ионов для нейтральных водных растворов (при темпе- ратуре 22°C) pH = - 1g (IO-7) = 7, для кислотных растворов pH < 7, для щелочных рас- творов pH > 7. С увеличением температуры раствора pH уменьшается и наоборот. Электродный потенциал образуется в цепи измерительный электрод-раствор- вспомогательный электрод (электрод сравнения). Потенциал последнего должен быть постоянным. В качестве измерительного электрода используется стеклянный или пластиковый электрод, не подверженный окислению или коррозии, а в качестве вспомогательного электрода — хлорсеребряный или каломельный. Сопротивление измерительного электрода может достигать до 1000 МОм, что требует применения высокоомных усилителей. В табл. 1.46 приведены технические характеристики pH-метров и мутномеров.
86 ГЛАВА 1 Таблица 1.46. Характеристики pH-метров и мутномеров Тип Предел измерения, pH (редокс потенциала, мВ) Погружная длина, мм Температура среды, °C Давление среды, МПа Погреш- ность, % Выходной сигнал Электроды: TopHit HCPS 401 Orbisint CPS11/12/13 Ceraliquid CPS 41/42 (Endress+Hauser) 0...14 120; 225; 360 -15...+135 -15...+130 -15...+130 1,0 0,6 0,8 ±0.5 ЭДС Преобразователь Liquisys S CPM 23/253 (Endress+Hauser) -2...+16 (-1500...+1500) — -20...+150 — +0,5 СК, 4...20 мА, HART, Profibus РА Преобразователь MyPro CPM 431 (Endress+Hauser) -2... 16 (-1500...+1500) — -20...+150 — ±0,5 4...20 мА Преобразователь Mycom CPM 152 (Endress+Hauser) -2...+16 — -20...+150 — ±1,0 Profibus РА Преобразователь pH-150; pH-202 (Yokogawa) -2... 16; -2...15 — -20...250; -5... 105 0,5 +0,02 pH СК, 4...20 мА, HART Преобразователь dTRANSpHOl (JUMO) -1...+14 (-1999...+1999) — -50...250 — +0,25 2хСК, 4...20 мА, RS-485 Мутномер Mycom CUM 121 (Endress+Hauser) 0...300 г/л 1630 -20...+150 — ±1 RS-232, RS-485 Датчик мутности GUSHI с преобразова- телем Liqusys M Cum 223/253 0...300 г/л — -20...+150 — +0,5 СК, Profibus РА или HART Датчики промышленных pH-метров подразделяются на проточные (магистраль- ные) и погружные. Проточные датчики используются для измерения pH растворов, протекающих по трубопроводам, а погружные — для измерения pH в емкостях, от- стойниках, резервуарах. Помимо датчика, в комплект pH-метра входит преобразова- тель ЭДС измерительной ячейки в выходной сигнал, выполненный по компенсаци- онной схеме. Для компенсации влияния температуры раствора на ЭДС электродной систе- мы pH-метра применяется схема ручной или автоматической температурной ком- пенсации. Зависимость ЭДС электродной системы от pH и температуры раствора представляет собой ряд прямых, пересекающихся в изопотенциальной точке, т. е в точке, в которой потенциал электродной системы при определенной величине pH не зависит от температуры раствора. Положение изопотенциальной точки в системе координат Е = f (pH) различно для разных электродных систем. Для компенсации изменения температуры раствора используется мостовая схема с термометром со- противления, включенным в одно из плеч моста. Выходной сигнал мостовой схемы в виде напряжения разбаланса моста включен встречно с ЭДС электродной систе- мы pH-метра. В последние годы получил применение комбинированный электрод со встроенным датчиком температуры, соединенный с помощью разъема (степень защиты IP68) кабелем с преобразователем.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 87 Для повышения надежности и достоверности измерений pH растворов применя- ются различные способы ручной и автоматической очистки электродов. Так, одним из способов очистки является промывка датчика в промывной ячейке при перекры- тии анализируемого раствора и подаче очищающей жидкости по сигналу реле, тай- мера или контроллера. Также используются и др. способы очистки: ультразвуковой, очистка струей сжатого воздуха, механический и др. Возможна очистка электродов без остановки процесса измерений. Фирмой Endress+Hauser выпускаются датчики с самоочисткой серии СРС 20, CPC 20Z, СРС 200/210, CYR 10/10Z. 1.5.2.3 Измерение мутности растворов. Нефелометры При измерении мутности растворов со взвесью твердых частиц или суспензий используется нефелометрический метод измерения, основанный на измерении ин- тенсивности светового потока, рассеянного твердыми частицами раствора. Зависи- мость интенсивности светового потока J, прошедшего через раствор расстояние /, от первоначальной интенсивности Jo имеет вид: / = /о-1О£', где £ — показатель рассеяния. Показатель рассеяния определяется соотношением размеров и числом частиц, а также длиной волны светового потока. При длине волны X меньше, чем размер части- цы, часть светового потока преломляется на границе раздела твердой и жидкой фаз, а часть отражается частицами. Если длина волны светового потока больше размера частиц, возникает дифракция световой волны, т. е. огибание световой волной пре- грады в виде твердых частиц. Таким образом, интенсивность рассеянного излучения, измеряемого в направлении перпендикулярном направлению основного светового потока, характеризует концен- трацию взвешенных частиц, т. е. мутность раствора. Векторная диаграмма рассеянного света в различных направлениях (индикатриса рассеяния) позволяет судить о размере и форме частиц. Формула Релея связывает интенсивность рассеянного излучения ]р с ин- тенсивностью падающего излучения /, объемом и плотностью частицы, концентрацией частиц, длиной волны и показателями преломления твердых частиц и раствора. Учиты- вая, что все величины, кроме концентрации, являются постоянными, можно судить о концентрации взвешенных частиц по интенсивности рассеянного излучения. Одна из схем нефелометра представляет собой источник излучения, световой поток которого проходит через окна измерительной камеры и попадает на полупро- зрачное зеркало, на которое падает также рассеянный световой поток, выходящий под прямым углом через боковое окно камеры. Предварительно оба световых потока поочеред- но прерываются с помощью абтюратора. Ком- пенсационная заслонка (или оптический клин) служит для выравнивания (компенсации) све- товых потоков. Ее положение определяется величиной сигнала фотоприемника и фазочув- ствительного усилителя. На рис. 1.45 показаны мутномер CUM121 для щитового монтажа (рис. 1.45, а) и мутномер CUM151 для установки по месту (рис. 1.45, б).
88 ГЛАВА 1 Нефелометрические анализаторы-мутномеры применяются для контроля сточных вод в отстойниках и открытых водоемах. Толщина просвечиваемого слоя составляет от 5 до 50 мм и более. Первичный преобразователь может быть проточный или погруж- ной. Глубина погружения первичного преобразователя примерно до 15...20 м. 1.5.2.4 Плотномеры жидких сред Плотность р (кг/м3) есть отношение массы вещества т (кг) к его объему V (м3): р = m/V. Измерение плотности производится для определения качественных характери- стик вещества (состав, концентрация, однородность и др.). Плотность жидкости за- висит от температуры. В промышленности наибольшее применение нашли весовые, поплавковые, ги- дростатические и вибрационные плотномеры. Весовой плотномер представляет собой U-образную горизонтальную трубку по- стоянного объема, по которой протекает (при полном заполнении объема трубки) жидкость анализируемой плотности. Трубка уравновешена при заполнении ее жид- костью заданной плотности. При отклонении плотности от заданного значения изме- няется масса трубки, что приводит к ее повороту в вертикальной плоскости. Величи- на поворота преобразуется с помощью пневмопреобразователя, дифференциально- трансформаторной, ферродинамической или другой схемы измерения в выходной унифицированный сигнал. Поплавковый плотномер представляет собой частично или полностью погру- женный в жидкость поплавок и схему преобразования сигнала. Принцип действия плотномера с частично погруженным поплавком основан на уравновешивании веса поплавка G и выталкивающей силы F, равной: F=pgSH, где S — площадь сечения поплавка; Н — глубина погружения поплавка. При неизменной плотности жидкости и воздушной (газовой) среде над поплав- ком выталкивающая силы равна весу поплавка. Изменение плотности жидкости при- водит к изменению глубины погружения поплавка. Линейное перемещение поплав- ка (буйка) при изменении плотности жидкости преобразуется в выходной сигнал. Плотномер представляет собой измерительный сосуд постоянного объема с частич- но погруженным поплавком. Жидкость поступает в сосуд снизу и сливается сверху сосуда. При этом сохраняются постоянный уровень и объем жидкости. В плотномерах с полностью погруженным поплавком перемещение поплавка воспринимается упругим элементом (пружина, сильфон), сила сжатия-растяжения которого преобразуется в выходной сигнал. Уровень жидкости также поддерживает- ся постоянным. В рассмотренных весовых плотномерах используется схема темпера- турной компенсации изменения температуры жидкости. Гидростатические плотномеры используют зависимость давления Р столба жид- кости высотой Н от плотности р: P=pgH, где g — ускорение свободного падения. При Н - const плотность жидкости р определяется давлением столба жидкости Р, которое может быть измерено манометрическим прибором. В пьезометрических
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 89 плотномерах давление столба жидкости определяется при продувании через слой жидкости воздуха или инертного газа. Давление столба измеряется преобразовате- лем давления с разделительной мембраной. Вибрационный плотномер представляет собой трубчатый камертонный резо- натор, через который протекает анализируемая жидкость. Частота колебаний ка- мертонного резонатора определяется размерами трубки камертона (наружный и внутренний диаметры), частотой колебаний, плотностью материала трубки (титан, сталь) и плотностью жидкости. В зависимости от плотности и температуры жидко- сти изменяется частота колебаний камертона. Измеряя частоту колебаний и вводя температурную компенсацию можно судить о плотности жидкости. Известны также радиоизотопные плотномеры, основанные на ослаблении пото- ка у-излучения после прохождения среды с определенной плотностью. 1.5.2.5 Вискозиметры Вязкостью называется свойство жидкостей или газов, характеризующее сопро- тивление сдвигу или скольжению при перемещении смежных слоев потока относи- тельно друг друга. Согласно формуле Ньютона сила сдвига F равна: F = pS-(dV/dH), где р — динамическая вязкость; S — площадь внутреннего сдвига; V — скорость те- чения одного слоя относительно другого; п — толщина движущего слоя (dV/dn — градиент скорости). Жидкости, вязкость которых не зависит от сдвигающих напряжений, называют- ся ньютоновскими жидкостями. Вязкость многих материалов (синтетические смолы, смазочные материалы, расплавы стекла и пр.) зависит от напряжений сдвига. Такие жидкости называются неньютоновскими. Отношение динамической вязкости к плотности вещества называется кинема- тической вязкостью. Динамическая вязкость измеряется в Па-с, а кинематическая вязкость в м2/с. В промышленности для измерения вязкости нашли применение ротационные и вибрационные вискозиметры. Ротационные вискозиметры основаны на зависимости реактивного сопротивления перемещению твердого тела от динамической вязкости жидкости. Крутящий момент создается вращением твердого тела (диск, шар, цилиндр, лопатки и пр.) в жидкости. В установившемся режиме динамическая вязкость |1 равна: В = Мкр/кы, где Мкр — крутящий момент; о> — угловая скорость вращающегося тела; к — посто- янная прибора. При о> = const вязкость |1 определяется крутящим моментом Мкр. При вращении тела с помощью электродвигателя крутящий момент на валу электродвигателя М = к1Ф, где I — ток в цепи электродвигателя; Ф — магнитный поток; к — постоянная. Измеряя потребляемый электродвигателем ток судят о вязкости анализируемой жидкости. Известны вискозиметры, основанные на зависимости угла поворота чувстви- тельного элемента от вязкости среды и ряд др. схем ротационных вискозиметров. Вибрационные вискозиметры основаны на поглощении звуковых (ультразвуко- вых) колебаний при прохождении через среду от ее вязкости.
90 ГЛАВА 1 Интенсивность электромагнитных колебаний J при прохождении расстояния I убывает по экспоненциальному закону; где а — коэффициент поглощения, зависящий от вязкости среды. Измеряя интенсивность колебаний J судят о вязкости вещества. Вибрационные вискозиметры обычно используются для измерения вязкости ньютоновских жидкостей. В промышленности также используются ультразвуковые вискозиметры с магни- тострикционным эффектом. В таких вискозиметрах измеряется затухание свобод- ных колебаний пластины из магнитострикционного материала, находящейся в из- меряемой среде. 1.5.3 Спектроскопия. Промышленные спектрометры 1.5.3.1 Спектроскопия Спектроскопия — раздел физики, изучающий оптические спектры атомов и молекул. Спектроскопия представляет совокупность оптических методов исследо- вания спектров электромагнитного излучения. Спектроскопия электромагнитно- го излучения базируется на квантовой теории. Задача спектроскопии — изучение строения атомов и молекул на основе изучения спектров, уровней энергии атомных систем и характеристик переходов с излучением между уровнями энергии. Основы атомной и молекулярной спектроскопии, теория и методы измерений приведены в работах [1.80, 1.81, 1.84-1.86]. Спектр может быть непрерывный (сплошной) или дискретный. В соответствии с законом сохранения энергии переход атомной си- стемы из одного состояния в другое сопровождается излучением или поглощением квантов. В спектроскопии при рассмотрении диаграммы уровней энергии пользу- ются волновыми числами (см-1) 1/Х, где X — длина волны. Поскольку 1/X = v/C, где v — частота, а С — скорость света, в спектроскопии принято обозначать частоту и волновые числа как v [1.79]. Каждому переходу между дискретными уровнями энергии соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая вол- новым числом монохроматического излучения v. Для сложных атомов характер- ны дискретные спектры, состоящие из отдельных спектральных линий. Поскольку атомы характеризуются четкими линейчатыми спектрами, для всех известных эле- ментов, а также их изотопов, составлены атласы этих спектров, позволяющие их быстрое распознавание. Спектры молекул, особенно сложных, представляют собой сплошные спектры. Таким образом, каждый атом или молекула определенного ве- щества имеет свой характеристический спектр. Оптические спектры делят на спектры испускания, поглощения, люминесценции и рассеяния. Спектр поглощения образуется при переходе с нижних энергетических уровней на верхние (увеличение энергии и поглощение фотона). Соответственно спектр испу- скания образуется при переходе с верхних уровней на нижние (уменьшение энергии атомной системы и испускание фотона). Спектры поглощения изучают в условиях термодинамического равновесия при определенной температуре, а спектры испуска- ния — в неравновесных условиях с использованием оптических и электрических спо- собов возбуждения.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 91 Оптическое возбуждение представляет собой монохроматическое излучение определенного спектра с передачей атомной системе порции энергии hv. После пре- кращения излучения исследуется длительность и форма затухания. На этом основа- ны методы люминесцентного анализа [1.79-1.81,1.84,1.85]. В зависимости от длины волны электромагнитного излучения различают гамма-, рентгеновскую, оптическую и радиоспектроскопию. В зависимости от состава и строения атомных систем спектроскопию подраз- деляют на ядерную, атомную, молекулярную и спектроскопию конденсированных систем [1.84]. Ядерная спектроскопия изучает уровни энергии атомных ядер и переходы между уровнями и подразделяется на гамма-, альфа- и бета-спектроскопию. Атомная спектроскопия изучает электронные уровни энергии атомов и переходы между ними. Электронные уровни энергии — это уровни, связанные с движением электронов относительно ядер. Молекулярная спектроскопия изучает электронные, колебательные и вращатель- ные уровни молекул и переходы между ними. Колебательные уровни молекул — это уровни, связанные с колебательными движениями ядер в молекулах около некото- рых равновесных состояний. Вращательные уровни молекул — это уровни, связан- ные с вращательным движением самой молекулы. Основные методы изучения мо- лекулярной спектроскопии — спектроскопия испускания, пропускания, отражения, рассеяния. Спектроскопия конденсированных систем (кристаллов, аморфных тел и жидко- стей) также изучает уровни энергии этих систем и переходы между ними. Существуют и другие уровни энергии атомов и молекул, энергия которых очень мала и составляет тысячные и миллионные доли эВ. К числу методов молекулярной спектроскопии при исследовании сложных моле- кул относятся методы люминесценции. В зависимости от способа возбуждения лю- минесценции (от латинского liminis — свет) известны различные методы люминес- ценции: фотолюминесценция (возбуждение световыми квантами), катодолюминес- ценция (поток электронов от катода), рентгенолюминесценция (возбуждение рентге- новскими лучами), сцинтилляции (ионизирующее излучение), хемилюминесценция (энергия химических процессов, в основном окислительных) и др [1.83,1.84,1.87]. Появлению люминесценции предшествует поглощение энергии возбуждения, сообщаемой веществу тем или иным способом. Люминесценцию иногда называют «холодным свечением», так как температура люминесцирующих веществ чаще всего не столь высока, чтобы наблюдаемое свечение можно было объяснить равновесным для этой температуры светоиспусканием. Фотолюминесценцию в зависимости от продолжительности свечения после пре- кращения возбуждения светом делят на флуоресценцию (кратковременное свечение порядка 10“9...10"7 с) и фосфоресценцию (более продолжительное свечение от 10~4 до 1СН с). В зависимости от механизма свечения различают спонтанную и вынужден- ную люминесценцию. Спонтанная люминесценция характеризуется самопроизвольным переходом из возбужденного состояния в нижележащее основное состояние. При равенстве энер- гий квантов испускания и поглощения наблюдают резонансную люминесценцию. Вынужденная люминесценция возникает из-за внешнего воздействия, например, при повышении температуры раствора или изменении его концентрации. Повыше-
92 ГЛАВА 1 ние температуры раствора сопровождается снижением квантового выхода люминес- ценции («температурное тушение люминесценции»), что обусловлено увеличением колебательной энергии молекулы при повышении температуры. Вынужденная лю- минесценция применяется при исследовании сложных органических молекул в рас- творах при низкой температуре. Спектральные характеристики фотолюминесценции включают спектр люминесценции и спектр возбуждения люминесценции. Спектр люминесценции представляет собой распределение интенсивности люминесценции по длинам волн (X) и частотам (v) излучаемого свечения. Для измерения фотолюми- несценции используются флуориметры (приборы для измерения интегральной ин- тенсивности флуоресценции), спектрофосфориметры и др. Помимо фотолюминесценции на практике используется люминесценция ато- мов, возбуждаемая рентгеновскими лучами — рентгенофлуоресценция. Рентгеноф- луоресцентный анализ (РФА) основан на вторичной эмиссии рентгеновских фотонов при переходе электронов с более высоких энергетических уровней. Хемилюминесценция возникает за счет экзотермических химических процес- сов при тепловых эффектах порядка 40...70 ккал/моль в видимой и УФ областях спектра [1.83]. Широкое применение получила ИК-спектроскопия. Традиционные ИК-спектро- метры бывают двух типов: дисперсионные и интерференционные. Дисперсионный спектрометр имеет источник ИК-излучения, щелевые диафраг- мы, диспергирующий элемент (призму или дифракционную решетку), кювету с об- разцом и приемник излучения. В двухлучевой ИК-спектроскопии используется до- полнительно модулятор, направляющий попеременно световые потоки на кювету с образцом и на кювету сравнения (последняя может отсутствовать). Далее световые потоки направляются к приемнику ИК-излучения. Сравнение образца с эталоном осуществляется нулевым методом или по величине соотношения двух сигналов. До- стоинство метода: высокое разрешение, быстродействие и большое отношение сиг- нал/шум. Интерференционный спектрометр (Фурье-спектрометр) использует больший световой поток по сравнению с дисперсионным в средней и длинноволновой ИК- областях спектра. Ж. Фурье показал, что флуктуации электромагнитного поля мо- гут быть представлены в виде синусоидальных и косинусоидальных волн различной частоты. Таким образом, спектр может быть представлен Фурье-преобразованием электромагнитного поля. В интерференционном спектрометре из входного потока излучения формируются когерентные волны (обладающие одинаковой частотой и разностью фаз), в результате наложения которых образуется интерференция. Из- вестен классический 2-лучевой интерферометр Майкельсона (Фурье-спектрометр), который в 1962 г. Г. Гебби был усовершенствован для применения в длинноволновой области спектра. 1.5.3.2 Спектрометры Спектрометром называется прибор для получения, измерения и исследования спектров электромагнитного излучения. Спектрометр состоит из источника излуче- ния, спектрального анализатора и приемника излучения. В качестве источника излучения в последние годы широко используются пере- страиваемые по частоте лазеры (в диапазоне 0,2...50 мкм). К основным характери- стикам перестраиваемых лазеров относят спектральное и временное разрешение,
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 93 чувствительность, избирательность и др. Используются лазеры на красителях с им- пульсной накачкой и с накачкой на парах меди. Лазеры позволяют осуществлять плавную перестройку частоты (длины волны) возбуждаемого светового излучения в широком спектральном диапазоне. В качестве приемников излучения чаще других используются высокочувстви- тельные фотоумножители, сигнал с выхода которых поступает на усилители и далее на ЭВМ или измерительные и регистрирующие приборы. В лазерной аналитической спектроскопии применяются лазерные атомно-флуоресцентные спектрометры, ла- зерные атомно-фотоионизационные спектрометры, лазерные инфракрасные абсорб- ционные спектрометры и др. Большинство спектрометров построены по двухканальной схеме измерения (из- мерительный канал и канал сравнения). Двухканальная схема измерения, основан- ная на нулевом методе, применена в инфракрасном спектрофотометре (рис. 1.46). Световой поток от источника излучения 1 направляется с помощью зеркал 2-5 по двум каналам: в измерительном канале I помещается исследуемый образец б, в канале сравнения II — фотометрический клин 7 и образец сравнения 8. С помощью прерывателя 9 пучки света из каналов I и II попеременно проходят через монохрома- тор 10 (призма), после которого световые потоки разлагаются в спектр и поступают на ИК-приемник излучения 11 (болометр). Материал призмы должен быть прозрачен в ИК-диапазоне (LiF, NaCl и др.). Когда интенсивность излучения в обоих каналах одинакова, на болометр поступает постоянное излучение и сигнал на входе усили- теля отсутствует. При наличии поглощения в образце на болометр поступают лучи разной интенсивности и на выходе болометра возникает переменный сигнал. Этот сигнал после усиления приводит в действие фотометрический клин, который сводит к нулю разность двух потоков. Фотометрический клин связан с указателем величины поглощения в функции длины волны. К методам лазерной спектроскопии атомов и молекул относят методы лазерно- го возбуждения флуоресценции, многоступенчатой резонансной ионизации, ПК аб- сорбционной спектроскопии, многофотонной ионизации молекул [1.80,1.81]. Приведем краткие сведения принципа работы лазеров, используемых в лазерной спектроскопии. Рассмотрим изображенную на рис. 1.47 произвольную двухуровне- вую атомарную или молекулярную структуру (на практике лазеры работают на трех и более уровнях). По закону Больцмана при равновесии отношение числа частиц N2 на уровне 2 к числу частиц на уровне 1 определяется отношением N2/Nl = ехр(-АЕ1кТ). Если на систему падает световой поток с частотой, отвечающей энергии ДЕ(йу]2), то энергия поглощается и частицы переводятся с уровня 1 на уровень 2 со скоростью гпога, кото- рая определяется числом частиц Np интенсивностью излучения р и коэффициентом индуцированного поглощения Эйнштейна (В): Рис. 1.46 Рис. 1.47
94 ГЛАВА 1 Чюги = В^Р- Частицы из состояния 2 могут релаксировать в состояние 1 под действием ра- диационных процессов. Скорость спонтанного перехода с уровня 2 на уровень 1, а следовательно, интенсивность спонтанного излучения, пропорциональна AN2, где А — -коэффициент спонтанного излучения Эйнштейна. Фотоны с энергией &E(hv12) вынуждают частицы с уровня 2 эммитировать излучение с энергией ДЕ со скоростью вынужденного излучения кизл = B'N2p, где В'— коэффициент Эйнштейна для вы- нужденного излучения. Лазерное действие зависит от усиления света за счет вынужденного излучения при условии N2>Nj («инверсная заселенность»). Основными характеристиками ла- зера являются: монохроматичность и высокая интенсив- ность излучения, малая расходимость луча, когерентность и др. Получили применение He-Ne и СО2 газовые лазеры, твердотельные рубиновые лазеры на органических кра- сителях. Основное достоинство лазера на красителях — возможность перестройки частоты выходного излучения. Лазеры на красителях могут быть импульсными и непре- рывными. Накачка осуществляется другим лазером. Пере- стройка частоты излучения в широкой ультрафиолетовой и видимой областях спектра осуществляется изменением добротности резонатора, Рис. 1.48 заменой красителя, изменением концентрации и др. На рис. 1.48 показана схема энер- гетических уровней лазера на красителях. С верхнего уровня S2 происходит быстрая безызлучательная релаксация частиц на нижний колебательный уровень состояния S, с дальнейшим переходом на нижнее состояние Т1 либо безызлучательная релаксация на уровень $0, сопровождающаяся флуоресценцией. Метод флуоресценции основан на регистрации поглощенной энергии лазерного луча по возникающей флуоресценции возбужденных в образце частиц. На рис. 1.49 приведена схема лазерного атомно-флуоресцентного спектрометра. Лазерный атомно-фотоионизационный спектрометр основан на методе много- ступенчатого резонансного возбуждения лазером уровней атомов и молекул с после- дующей их ионизацией. Процесс атомизации осуществляется в графитовых тиглях 1 — лазер накачки; 2 — лазер на красителе. 3 — формирователь пучка; 4 — атомизатор (электро- термический или плазменный); 5 — фильтр; 6 — фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); 7 — син- хронизатор (стробинтегратор); 8 — регистратор; 9 — блок питания Рис. 1.50 Рис. 1.49
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 95 (кюветах), нагреваемых в вакууме до 3000 °C. Используется также импульсное лазер ное испарение и ионное распыление, а также пламенная атомизация. В состав спектрометра, использующего метод инфракрасной абсорбционной спектроскопии, входят: криогенная система для охлаждения диода полупрово- дникового инжекционного лазера (60...80 К), блок перестройки лазера за счет изменения температуры (до 100 К), блок питания, интерферометр Фабри-Перо, дифракционный монохроматор, кюветы с исследуемым и реперным газами, мо- дулятор, детектор ИК-излучения с усилителем, регистратор с приемником ИК- излучения. На рис. 1.50 представлен общий вид лазерного спектрометра. 1.5.3.3 Масс-спектрометры Масс-спектрометрический анализ является наиболее совершенным и универ- сальным методом, поскольку использует основную характеристику вещества — мас- су молекулы или атома. Это дает возможность определять состав вещества вне за- висимости от его физических или химических свойств [1.88-1.91]. Согласно ГОСТ 12862-81 масс-спектрометры подразделяются на масс-спектрометры для анализа хи- мического и изотопного составов. Масс-спектрометрический анализ химического состава газов, а также жидкостей и твердых веществ, способных переходить в газообразное состояние при их нагреве, позволяет определять содержание большого числа компонентов сложных смесей. Масс-спектрометры анализа изотопного состава газов и твердых веществ позво- ляют осуществлять дискретный анализ практически любого элемента периодической системы элементов. Принцип действия масс-спектрометра основан на использовании различия тра- екторий положительных ионов анализируемого вещества, движущихся в однородном поперечном магнитном поле и отличающихся отношением массы к заряду (m/q). При глубоком вакууме, создаваемом в ионизационной камере, молекулы анали- зируемого вещества под действием пучка электронов ионизируются с образованием положительных ионов. Под действием ускоряющих электродов электронной пушки положительные ионы, имеющие одинаковый заряд (q), но различную массу (т), в зависимости от состава вещества, получают ускорение. Далее пучки ионов попадают в камеру ана- гизатора с однородным поперечным магнитным полем напряженностью Н. В зави- симости от величины Н, ускоряющего напряжения Е и отношения m/q, траектории ионов будут различными. Ионы, имеющие большую массу, отклоняются меньше и наоборот. Далее ионные пучки различных траекторий попадают на многокол- лекторный приемник ионов. Ионный ток создает на нагрузочном сопротивлении коллектора напряжение, соответствующее определенной массе, т. е. определенному компоненту вещества. Изменяя напряженность поля Н или ускоряющее напряжение Е получают масс- спектрограмму с пиками, соответствующими определенному компоненту, а высота пиков характеризует величину концентрации компонента в смеси. Способность масс- спектрометра разделять ионы характеризуется разрешающей способностью R, кото- рая равна: R=m/Mn, где т — масса иона, а Ат — разность между двумя близлежащи- ми различимыми пиками масс-спектрограммы. Значения R для масс-спектрометров составляет от 100 до 500000.
96 ГЛАВА 1 К основным характеристикам масс-спектрометра относят значение ускоряюще- го напряжения £ (6. ..10 кВ), диапазон массовых чисел (например, 150. ..800), расход пробы (мг/ч), относительную погрешность измерения, скорость сканирования и др. Конструктивно масс-спектрометр состоит из нескольких блоков (стоек): источ- ника ионов, электронной пушки, масс-анализатора, приемника ионов и управляю- щей ЭВМ на базе персонального компьютера. Наибольшее применение получили масс-спектрометры для анализа состава газов. В зависимости от принципа действия и составляющих компонентов известны различные типы масс-спектрометров: секторные магнитные и (или) электрические; квадрупольные; с ионной ловушкой; время-пролетные; с Фурье-преобразованием сигнала и др. [1.89-1.91]. Принципиальная схема секторного масс-спектрометра с одноканальным (а) или многоканальным (б) детектором приведена на рис. 1.51. Магнитное или электрическое Пластина коллектора Выходная щель Магнитное или электрическое поле Пучок ионов £ Входная щель К Источник ионов Многоканальный детектор Пучок ионов Входная щель ' Источник ионов Рис. 1.51 В сканирующем анализаторе масс (я) изменяют силу электрического или маг- нитного поля, при этом регистрируется только одна масса. В несканирующем ана- лизаторе (б) все массы регистрируются одновременно с помощью многоканального детектора. В квадрупольном масс-спектрометре пучок ионов с помощью электрического поля ускоряется и проходит сквозь квадруполный анализатор масс, состоящий из четырех стержней, к которым приложено напряжение постоянного или переменного тока. В результате этого сквозь анализатор в каждый момент времени проходят ионы с одним отношением массы к заряду (m/q). Изменяя напряженность поля определя- ют различные значения m/q. Известны масс-спектрометры с двумерной и трехмер- ной квадрупольными ловушками. На рис. 1.52 показан гибридный масс-спектрометр с линейной квадрупольной ловушкой фирмы Thermo Electron Corp. Рис. 1.52 Масс-спектрометр с ионной ловушкой основан на улав- ливании положительных ионов в полости между кольцевыми электродами и концевыми заглушками, к которым приложе- но электрическое напряжение. Затем ионы последовательно испускаются из этой полости соответственно величине m/q. Времяпролетный масс-спектрометр основан на одно- временном старте выбитых с помощью лазера (или импульса высокого напряжения) ионов с плоской поверхности образ- ца. Ионы с большим значением m/q движутся к детектору относительно медленно, в то время как ионы с малым значе-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 97 нием mlq движутся быстро. Время пролета при длине пути, например, 0,1 м может составить 72 мкс. При этом разрешение должно составлять несколько наносекунд. Хотя время-пролетные масс-спектрометры регистрируют массы всех ионов без ска- нирования, они имеют меньшую разрешающую способность и меньший диапазон массовых чисел по сравнению с масс-спектрометрами с Фурье-преобразованием. Принцип действия масс-спектрометра с преобразованием Фурье основан на том, что ионы с помощью дозатора инжектируются (впрыскиваются) в ячейку ана- лизатора и под действием магнитного поля раскручиваются и вращаются на низких орбитах с радиусом, пропорциональным mlq. Затем при приложении высокочастот- ного импульсного сигнала ионы резонансно ускоряются и переходят на более высо- кие орбиты. Высокочастотный сигнал, образующийся под действием вращающихся ионов, измеряется и подвергается преобразованию Фурье. Достоинством этих масс- спектрометров является высокое разрешение (более 100000). Получили применение многоколлекторные масс-спектрометры с ионизацией в индуктивно-связанной плазме и в тлеющем разряде. На рис. 1.53 представлен многоколлекторный масс-спектрометр для изотопно- го анализа с плазменным источником серии FINNIGAN TRITON Т1 фирмы Thermo Electron Corp., а на рис. 1.54 показан общий вид масс спектрометра МТИ-350Г Ураль- ского электрохимического комбината. Рис. 1.54 Рис. 1.53 1.6. Весоизмерительная техника 1.6.1 Весоизмерительное и дозирующее оборудование Весоизмерительное промышленное оборудование классифицируют по различ- ным признакам: по назначению, по статической (динамической) нагрузке, по типам весоизмерительных (чувствительных) датчиков, по грузоподъемности, по точности и др. признакам [1.93-1.95]. По назначению промышленное весоизмерительное оборудование (лабораторные и др. не промышленные весы далее не рассматриваются) делят на конвейерные, бун керные, крановые, платформенные, монорельсовые, паллетные и вагонеточные весы. Отдельную группу весоизмерительных устройств составляют дозирующие устрой- ства (дозаторы) непрерывного и дискретного действия, шнековые весы и специаль- ные тензометрические весоизмерительные устройства. В зависимости от того, осуществляется взвешивание в статике или в динамике, весы делят на статические и динамические. К динамическим весам относятся кон- 4 Зак 3801
98 ГЛАВА 1 вейерные весы, а также весы для взвешивания, например, вагонеток в движении; к статическим — платформенные, бункерные, крановые, паллетные и другие весы при взвешивании в статике. Конвейерные или ленточные весы рассмотрены в раз- деле расходомеров сыпучих материалов (раздел 1.2.9). Чувствительными датчиками весов являются силогидравлические преобразовате- ли, тензодатчики, динамометрические датчики и др. Наибольшее применение нашли тензодатчики в комплекте с программируемыми измерительными преобразователями. Диапазон измерения веса современных весоизмерительных устройств составля- ет от нескольких грамм до 200 тонн. При этом весоизмерительные датчики имеют различную конструкцию и работают как на сжатие, так и на растяжение. Среди отечественных производителей весоизмерительной техники отметим фирмы «Балтийские весы и системы», «Веста», «Метра», «Тензо-М», «ПетВес», «Пе- тровес», «Топау», «Эталон Прибор», «Сибтензоприбор», «Промавтоматика», «Союз- цветметавтоматика» и др. Крупные призводители весоизмерительной техники вхо- дят в Российскую Ассоциацию производителей весоизмерительной техники. Из за- рубежных производителей весоизмерительной техники на Российском рынке отме- тим Mettler-Toledo GmbH, Caston. В табл. 1.47 приведены краткие технические характеристики отечественных ве- соизмерительных и дозирующих устройств. В качестве первичного преобразователя используется, как правило, тензометрический преобразователь. Таблица 1.47. Характеристики весоизмерительных и дозирующих устройств Тип Произво- дительность, т/ч Ширина (мм) и скорость (м/с) транспортерной ленты Параметры материала Погреш- ность Число ролико- опор Выходной сигнал Габариты, мм 1 2 3 4 5 6 7 8 Конвейерные весы ВК-2 1...1000 400...2400 мм; 0,5...4 м/с Насыпная плотность > 0,8 т/м3 ±1..2% 1 0/4...20 мА; RS-232/RS-485 1560x1145x1065 ВКТ-3 0,8... 100 650; 800 мм Насыпная плотность > 0,8 т/м3 ±1% 1 0...5 мА 1560x1145x1065 ВКТ-4 5; 10; 25; 50; 100; 250 650; 800 мм; 0,4 м/с Линейная плотность1) 10.. .450 кг/м ±0,5..1% 1 0/4...20 мА; 0...5 мА; RS-485 1650x300x690 ВКТ-5 0,8...8000 650; 800 мм; 0,125...2,5 м/с Линейная плотность 16...800 кг/м ±1% 1; 2 0/4...20 мА; 0...5мА; RS-485 1560x1145х 1065 BE 7371 990 1400 мм; 2,1 м/с Линейная плотность 25... 125 кг/м ±0,5% 2 0...5 мА, 0...10В 1600x1820x400 BE 7240 10000 500... 1600 мм; 0,5...6,3 м/с Линейная плотность 25...400 кг/м ±0,5% 2 0...5 мА, 0...20 мА, ИРПС 1485 х (760...2050) х Х410 MUS 2000 1800 мм; до 3 м/с Линейная плотность 2...350 кг/м ±0,5..1% 1 4...20мА;СК 2092x242x468 MIS 5000 500... 1800; до 4 м/с Линейная плотность 10...415 кг/м ±0,5% 1 4...20мА;СК (740...2340)х х(241...3О5)
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 99 Продолжение табл. 1.47 1 2 3 4 5 6 7 8 М8400 НПВ 320...12000 кг 500...2000; Линейная плотность 5... 1000 кг/м ±0,5% 2 4... 20 мА; RS-485 1290xl815xxl65 (при ширине ленты 800 мм) Платформенные весы СВП-6-3 Пределы измерения: 3 кг; 6 кг — — ±2,5% — RS-232 300x300 СВП-30-3 15 кг; 30 кг ВНТ-4501- 80-1600 1...80 кг — — ±2,0% — RS-232, Centronics 600x600 ВНТ-4501- 100-2000 1...100 кг — — ±2,0% — RS-232, Centronics 600x800 4580П 0,4-.-20 т; 6...300 т — — ±0,25% — 14РПС 4000x1800; 8000x2100 Серия ВТ-60; ВТ-150; ВТ-300; ВТМ-300; ВТМ-600 60 кг; 150 кг; 300 кг; 300 кг; 600 кг Дискретность отсчета, г: 20; 50; 100; 100; 200 ±2 дис- крета — Цифровая индикация 550x400x125; 550x400x125; 550x400x125; 815x620x140; 815x620x140; «Классик» -500 -600; -1000; -1500; -2000; -3000 500 кг 600 кг; 1000 кг; 1500 кг; 2000 кг; 30000 кг Дискретность отсчета, г: 100; 200; 200; 500; 500; 1000 ±2 дис- крета RS-232, RS-485 1200x1200; 1200x1200; 1200x1200; 1200x1200; 1500x1200; 1500x1200; СВ- -150ПА; -300П; -1000П; -ЗОООП; -5000Г1; -1000011; 150 кг; 300 кг; 1 т; Зт; 5 г Ют Дискретность отсчета, г: 50; 100; 200; 1 кг; 1 кг; 2кг ±2 дис- крета RS-232 1000x800; 1000x800; 1250x1000; 1250x1000; 2000x1500; 2000x1500; ! Бункерные весы ВВС-10; ВБС-150 1..,200т — — ±100 кг (до 100 т); ±200 кг (до200т) — O...5mA, 0/4...20 mA, RS-485 800х800х х(1300...2500) Крановые весы ВА-05061 0,1...5т — — ±0,5% — Цифровая индикация 487x266x395 СВК -2000; -5000; -10000; -20000; 2000 кг; 5000 кг; 10000 кг; 20 000 кг, Дискретность отсчета, кг: 1; 1; 2; 10; ±2 кг; ±2 кг; ±4 кг; ±20 кг; RS-232 Высота 700 мм
100 ГЛАВА 1 Продолжение табл. 1.47 1 2 3 4 5 6 7 8 СВК-ДЗ)- -5000; -10000; -20000; 5000; 10000; 20000; Дискретность отсчета, кг: 1; 2; 10 ±2 кг; ±4 кг; ±20 кг; RS-232 Высота 700 мм Паллетные (П-образные) весы М8100- 0.6СК9С 4...600 кг — — ±1,5% — RS-485 1200x800x80 М8100- 1.5СК9С 10...1500 кг — — ±1,5% — RS-485 1300x1220x100 ВТС-600П 600; 1500 кг — — ±2,0% RS-232/ RS-485 800x1185x70 Шнековые весы ВАШ-1 0,4...50т/ч — Насыпная плотность > 0,8 т/м1 ±1,0% — 0...5 мА 2000x1000x800 Дозирующие устройства (дозаторы) ВД1.6 0,16... 16 т/ч — Влажность < 1% ±1,0% — ИРПС 1025x1104x1840 АД-400-БН2) 80...400 кг; 32 т/ч —' Дозирование порциями ±1,0% — RS-232/RS-485 2710x1220x3070 АД-600-БЦ2) 200...600кг; 48 т/ч 2710x1220x3270 4273 ДН исп. 0 (Ех) 1...400 т/ч — Насыпной вес 0,5...3 т/м3, влаж- ность <15% ±1,0% — 0...5 mA, 0...10B 4130x1500x1100 4273 ДН исп. 2 (Ех) 16...400 т/ч — 1 (асыпной вес 0,5...3 т/м3, влаж- ность <12% ±1,0% — 4130x1500x1890 4488 ДН исп. 0 (Ех) 1...100 т/ч 800; 1000; 1200 Насыпной вес 0,2...0,9 т/м3, влаж- ность <17% ±0,5% — 3350xl400x x(1600,1800) ДНД-16 2... 16 т/ч — Дозирование изменением скорости шнека ±1,0% — 4...20 mA 2400x1900x1900 Устройства тензометрические Опора тензо- метрическая Нагрузка: 500; 1000; 2000 кгс — — ±1,0% — 4...20 mA 168x150x232 Подвеска тензо- метрическая 1 {агрузка: 0,5; 1 тс — — ±0,1% — 4...20 mA 210x51x44 ТВУ-4 200... 10000 кг — — ±0,5% — 0...5 mA, 4...20 mA, RS-232, CK —
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 101 Окончание табл. 1.47 1 2 3 4 5 6 7 8 Вагонеточные весы ВТВ-СД 100 т (статика); 200 т (в движении) Скорость движения вагоне- ток не более 10 км/ч ±0,25% — Цифровая индикация 15150x2500x695 *) Линейная плотность (кг/м) является погонной нагрузкой транспортера. 2> Цементный дозатор со шнековым питателем. Используется рычажно-тензометрическая весоизме- рительная система. Дистанционная передача значений взвешенной массы (при большой высоте подъема груза). Для крановых весов используется беспроводной радиоканал передачи данных по протоколу Bluetooth с дальностью передачи до 100 м. Для считывания и запоминания данных применяется переносной карманный компьютер с ЖК-дисплеем. Платформенные весы серии Wildcat (WS-15...300VIR), серии SS Wilcat (WS-30... 300VIR) и серии Т (Т4606, Т4615, Т6830, Т6860) с интерфейсом RS-232 производит фир- ма Mettler Toledo GmbH. Платформенные весы на пределы измерения от 1 до 3 т серии PF (PF01, PF02, PF03), а также серии BW-II (6.. .500 кг) выпускает фирма «ВЕСТА». Кон- вейерные весы НПП «МЕТРА» показаны на рис. 1.55, платформенные весы серии WS фирмы Mettler Toledo GmbH — на рис. 1.56, крановые весы Caston II — на рис. 1.57. Для сравнения в табл. 1.48 приведены характеристики весоизмерительных си- стем SIWAREX фирмы Siemens. Таблица 1.48. Характеристики весоизмерительных систем SIWAREX (Siemens) Тип модуля Связь с ПЛК Аналоговый выход Дискретный вход/выход Интер- фейс Напряжение питания Удаление датчика веса,м Погреш- ность, % SIWAREX U с S7300 — напрямую; с др. через ЕТ-200М — — RS-232 10 VDC 1000 0,05 SIWAREX М с S7300 — напрямую; с S5 по RS-232; с др. через ЕТ-200М 0/4...20 мА 3x24 VDCI 4x24 VDC RS-232 10 VDC 1000 0,01 SIWAREX А с S7300 — напрямую; с S7400 через ЕТ-200М 0/4...20 мА 3x24 VDCI 4x24 VDC RS-232 10 VDC 1000 0,01 SIWAREX Р через ET-200U 0/4...20 мА /2х (СК) TTY1) 10 VDC 500 0,01 D тру — последовательный интерфейс, 20 мА, скорость передачи 9600 бод, пассивный, беспотенци- альный. Возможно подключение до 4-х дистанционных цифровых индикаторов. 2> SIWAREX U и SIWAREX М являются функциональными модулями ПЛК Simatic S7300. Рис. 1.55 Рис. 1.56 Рис. 1.57
102 ГЛАВА 1 Системы взвешивания SIWAREX соответствуют идеологии Totally Integrated Automation и полностью интегрированы с системами Simatic S5 и S7, а также с систе- мой управления производственным процессом Simatic PCS7. В качестве программно- го обеспечения используется пакет STEP 5/7, а также ПО параметрирования Windows SIWATOOL. 1.6.2 Тензометрические датчики веса (тензодатчики) Тензодатчики используются в качестве силоизмерительных элементов в конвей- ерных, бункерных, платформенных, крановых весах и в весовых дозаторах. Тензодатчики весоизмерительных устройств отличаются высокой точностью, линейностью характеристик, малой инерционностью, небольшими габаритами и широким выбором возможностей их установки на различных элементах кон- струкций. В зависимости от конструктивных особенностей, связанных с направлением приложения нагрузки, тензодатчики делят на датчики консольного типа (на нагруз- ку от нескольких килограмм до 5... 10 т) и датчики сжатия-растяжения (S-образные, цилиндрические и др.). В табл. 1.49 приведены сравнительные характеристики тензодатчиков фирмы SCAIME (Франция), Siemens (Германия), ООО «Уралвес» и ОАО «Петвес», а на рис. 1.58 показаны тензодатчики консольного типа Мерадат-К (а), тензодатчики фирмы «Тензо-М» (б), тензодатчик МВ 150 (в) фирмы «Тензо-М», на рис. 1.59 — установка тензодатчиков на бункере, на рис. 1.60 — общий вид монорельсовых весов. Измерительной схемой тензодатчика является мостовая схема с дальнейшим преобразованием сигнала с помощью измерительного преобразователя в норми- рованный выходной сигнал. Измерительный преобразователь помимо цифровой индикации имеет выходной интерфейс (RS-232 или RS-485), аналоговые и/или дис- кретные выходы и позволяет подключать до 4...8 параллельно соединенных тензодатчиков. Помимо измерительных преобразователей весоизмерительных систем исполь- зуются программируемые весовые терминалы (контроллеры с программным обе- спечением, позволяющие осуществлять выбор различных типов тензодатчиков, пределов измерения, характеристик выходных сигналов и др. параметров конфи- гурации системы). Рис. 1.58
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 103 Таблица 1.49. Характеристики тензодатчиков SCAIME (Франция), Siemens (Германия), ООО «Уралвес» и ОАО «Петвес» Тип модели Конструкция Предел измерения Погрешность измерения, % Материал Степень защиты Тензодатчики фирмы SCAIME AQ Консольного типа 5; 10; 15; 20; 30; 35 кг ±0,02 Алюминий IP65 АН 30; 50; 100; 200 кг Алюминий IP65 АК 6; 12; 30; 60; 120; 300 кг Нержавеющая сталь IP68 SK30X 300; 500; 1000; 2000 кг Нержавеющая сталь IP68 ZF Сжатия - растяжения (S-типа) 25; 50; 100; 200; 500 кг; 1;2;5т ±0,05 Сталь с никелевым покрытием IP65 SD25X 0,5; 1;2;4;6т ±0,02 Нержавеющая сталь IP65 R10X Сжатия 2,5; 5; 10; 15; 30 т ±0,05 Нержавеющая сталь IP68 СА40Х 100; 200 т ±0,02 Нержавеющая сталь IP68 Весоизмерительные ячейки SIWAREX R фирмы Siemens ВВ Сжатия 10; 20; 50; 100; 200 кг ±0,02 Нержавеющая сталь 1Р66/ IP68 СС Сжатия 10; 24; 40; 60; 100 т ±0,02 Нержавеющая сталь 1Р66/ IP68 К Сжатия 2,8; 6; 13; 28; 60; 130; 280 т ±0,1 Нержавеющая сталь IP65 SB Консольного типа 0,5; 1; 2; 5 т ±0,02 Нержавеющая сталь 1Р66/ IP68 RN Сжатия 0,06; 0,13; 0,28; 0,5; 1; 2; 3,5; 5; 10; 13; 28; 60 т ±0,02 Нержавеющая сталь 1Р66/ IP68 Тензодатчики ООО «Уралвес» Мерадат-К» 1 Консольного типа Мод. А: 6; 8; 15; 30; 50; 100 кг; Мод. В: 50; 100; 150; 300; 500; 1000; 1200 кг Класс точности по ГОСТ 30129 «сз» Алюминиевый сплав IP67 Мод. М: 150; 250; 500; 1000; 2000 кг; Мод. С: 50; 100; 150; 200; 250; 500; 750 кг; 1; 2 т Легированная сталь IP67 Мерадат-К12 Мод. А: 0,5; 1; 2;3; 5;10;15;20; 25 т; Мод. Б: 0,5;1;2;10; 20 т Легированная сталь IP68 Мерадат-К14 Горизонталь- ные датчики Мод. А: 5...500 кг; Мод. В: 200 кг; Мод. С: 250 кг; Мод. Д: 100 кг Рабочий ко- эффициент передачи 2±0,2мВ/В Легированная сталь IP68 Мерадат-К16 S- образные датчики Мод.А/Б: 20...200; 250; 300; 500 кг; 0,7; 1; 1,2; 1,5; 2;3т.; Мод.Р: 1;3;5; 7,5; 15 т Легированная/ Не- ржавеющая сталь IP67 Мерадат-К18 Цилиндриче- ские датчики Мод. А: 500; 1000 кц Мод. Д: 10; 20; 25; 30; 40; 50 т; Мод. 3: 10; 15; 22; 33; 47; 68; 100 т Легированная сталь IP67; IP68; IP68 Мерадат-К20 Сжатия- растяжения Мод. Г: 2; 3;5; 10; 15; 20; 30 т; Мод. М: 40 т Легированная сталь IP67 Тензодатчики ОАО «ПетВес» ДОУ-3, ДОС-3 Сжатия 0,1...2000 кН Дискрет: 0,0001...0,5 Легированная сталь IP 67 *) Тензодатчики МЕРАДАТ включают большое число моделей на различные пределы измерения www.uralves.ru).
104 ГЛАВА 1 Рис. 1.59 Рис. 1.60 Среди весовых терминалов фир- мы SCAIME отметим программируе- мый весовой терминал IPC 50, по- зволяющий подключить до 8 парал- лельно соединенных тензодатчиков. Терминал имеет 6-разрядный ЖК- дисплей, интерфейс RS-232, RS-485, дискретный ввод/вывод, степень за- щиты IP65. Среди весовых терминалов ООО «Уралвес» — Мерадат КСК-20, КСК-21, КСК-22. 1.7. Бесконтактные выключатели (сенсоры) Бесконтактные выключатели, называемые также датчиками положения, датчика- ми приближения, бесконтактными конечными выключателями, сенсорами, находят широкое применение в промышленности [1.96,1.97]. Бесконтактные выключатели используются для контроля положения изделий из металлов и диэлектриков, бесконтактного контроля заполнения (опорожнения) резервуаров с жидкостью, контроля потока жидких и газообразных сред, измере- ния линейных перемещений и расстояний до объекта, контроля положения венти- лей, заслонок, клапанов, поршней в пневмоцилиндрах, контроля частоты враще- ния механизмов (транспортеров, элеваторов, электродвигателей) и углов поворота механизмов с использованием в качестве управляющих объектов зубьев шестерен, лопастей крыльчаток и пр. Также бесконтактные выключатели используются для создания световых барьеров, определения цвета и контраста объектов и в ряде др. применений. К достоинствам бесконтактных выключателей, выпускаемых также во взрывобе- зопасном исполнении, относят независимость от влажности, пыли, перепада темпе- ратур, вибрационных и ударных нагрузок. Бесконтактные выключатели классифицируются по принципу действия (индук- тивные, емкостные, магниточувствительные, оптические, ультразвуковые), по кон- структивному исполнению (форма и материал корпуса, способ подключения), по коммутационной способности («открытый коллектор», «сухой контакт», род напря- жения питания) и др. Основные определения бесконтактных выключателей в зависимости от принци- па действия по IEC 60947-5-2 следующие: • Бесконтактный выключатель: позиционный выключатель, осуществляющий коммутационную операцию при определенном взаимном положении объекта воздействия и чувствительного элемента выключателя без механического кон- такта выключателя с объектом воздействия. • Индуктивный бесконтактный выключатель: бесконтактный выключатель, соз- дающий электромагнитное поле в зоне чувствительности и имеющий полупро- водниковый коммутирующий элемент. • Емкостной бесконтактный выключатель: бесконтактный выключатель, создаю- щий электрическое поле в зоне чувствительности и имеющий полупроводнико- вый коммутирующий элемент.
ТРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 105 • Оптический бесконтактный выключатель: бесконтактный выключатель, обна- руживающий объекты, прерывающие или отражающие видимое или невидимое оптическое излучение и имеющий полупроводниковый коммутирующий эле- мент. • Магниточувствительный бесконтактный выключатель: бесконтактный выклю- чатель, обнаруживающий изменение напряженности постоянного магнитного поля, имеющий полупроводниковый коммутирующий элемент и не содержащий подвижных частей в чувствительном элементе. При установке на объекте бесконтактного выключателя необходимо учитывать расстояние срабатывания (s), которое зависит от размера активной поверхности вы- ключателя, формы и материала воздействующего объекта. Расстояние срабатывания (s) — это расстояние, при котором объект воздействия, приближаясь к активной по- верхности выключателя, изменяет коммутационное состояние (выходной сигнал) выключателя. Номинальное расстояние срабатывания (s„) — условное значение расстояния срабатывания, которое не учитывает допуски при изготовлении и отклонения, обу- словленные внешними факторами, — изменением напряжения питания и темпера- туры окружающей среды. Реальное расстояние срабатывания (sr) — расстояние срабатывания конкретного бесконтактного выключателя, измеренное при номинальном напряжении питания и температуре окружающей среды (23±5) °C. Для индуктивных и емкостных выключа- телей 0,9 sn<sr< 1,1 sn. Используемое (полезное) расстояние срабатывания (su) — расстояние срабатыва- ния конкретного выключателя, измеренное во всех рабочих диапазонах напряжений питания и температур окружающей среды. Для индуктивных и емкостных выключа- телей 0,81 s„ < su < 1,21 sn. Гарантированное расстояние (интервал) срабатывания (sa) — интервал, начинаю- щийся от активной поверхности, внутри которого гарантируется надежная работа вы- ключателя в условиях эксплуатации, указанных изготовителем. Для индуктивных вы- ключателей 0<sfl<0,81s„; для емкостных — 0<хй<0,72хи. К другим характеристикам бес- контактных выключателей относятся воспроизводимость, гистерезис, номинальное на- пряжение, максимальные ток нагрузки и частота срабатывания, способ монтажа и др. Воспроизводимость — точность повторений любых двух измерений реальных рас- стояний срабатывания в течение 8 ч при окружающей температуре (23+5) °C и неиз- менном значении напряжения питания. Гистерезис (Н) — разность расстояний между точкой включения при приближе- нии объекта воздействия к активной поверхности выключателя и точкой выключе- ния при удалении от активной поверхности (0,03sn<H< 0,2sn). Максимальный ток нагрузки (Imax) — ток, протекающий через выключатель при длительной работе без выхода из строя последнего. В качестве нагрузки используют- ся обмотки реле, контактора или вход контроллера. Максимальная частота срабатывания (/) — максимально возможная частота пе- рехода выключателя из неактивного состояния в активное, и наоборот, при которой выходной каскад выдает определенную последовательность сигналов. Способы монтажа: • утопленный — устанавливаемый заподлицо в металл; • неутепленный — с наличием вокруг чувствительного элемента свободной зоны.
106 ГЛАВА 1 При утопленном монтаже минимальное расстояние между соседними выключа- телями 1 >2d, где d — диаметр выключателя. При неутепленном монтаже 1 > 6s. 1.7.1 Индуктивные бесконтактные выключатели Принцип действия индуктивного бесконтактного выключателя основан на из- менении амплитуды колебаний высокочастотного генератора, формирующего в зоне активной поверхности (торца) выключателя с помощью катушки колебательного контура электромагнитное поле. Внесение в это поле металлического объекта приво- дит к возникновению вихревых токов, снижается добротность контура и амплитуда колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый сигнал, пропорцио- нальный расстоянию между выключателем и объектом. Пороговое значение аналого- вого сигнала приводит к срабатыванию триггера и переключению коммутационного элемента. Схема индуктивного выключателя приведена на рис. 1.61. Генератор Демодулятор Триггер Коммутационный элемент Рис. 1.61 Индуктивные выключатели широко применяются в качестве конечных выключа- телей в автоматических линиях, станках с ЧПУ, в прокатном производстве и др. В соответствии со стандартом расстояние срабатывания приводится для норми- рованной квадратной пластины из стали Ст40 толщиной 1 мм и шириной, равной диаметру активной поверхности выключателя. При контроле др. материалов рассто- яние срабатывания должно быть скорректировано на поправочный коэффициент К: Материал К Материал к Сталь40 1 Нерж, сталь 0,6... 1,0 Медь 0,25...0,45 Нихром 0,82...0,9 Латунь 0,35...0,5 Никель 0,65...0,75 Алюминий 0,35...0,45 Чугун 0,93...1,05 При размере объекта приближения меньше нормированного, расстояние сраба- тывания определяется графиком зависимости s/sn от отношения площади реального объекта к площади нормированного (стандартного) объекта (рис. 1.62). В табл. 1.50 приведены основные характеристики индуктивных бесконтактных выключателей. Зависимость расстояния срабатывания от площади используемого объекта воздействия Рис. 1.62 Рис. 1.63
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 107 Таблица 1.50. Характеристики индуктивных бесконтактных выключателей. Тип выключателя, производитель Расстояние срабатывания, sn, мм Материал корпуса Диаметр корпуса, мм Напряжение питания Выходной сигнал ВБ2.08М 1,5 Латунь 8 10...30 VDC ок ВБ2.12М 2 12 10...30 VDC OK 2 12 35...250 VAC CK ВБ2.18М 5 18 10...30 VDC OK 5 18 35...250 VAC CK ВБ2.30М 10 30 10...30 VDC OK 10 30 35...250 VAC CK ВБ2.36М 12 36 10...30 VDC OK 12 36 35...250 VAC CK ДБ2.30М 1,6. .14 30 12...30 VDC 1,5...20 mA ЗАО «МЕГА-К», Россия ВБИ-М12 2; 4 Латунь 12 10...30 VDC OK ВБИ-М18 5; 8 Латунь 18 ВБИ-МЗО 10; 15 Нерж, сталь 30 ВБИ-М47 20 Нерж, сталь 47 ВБИ-Щ06 6 (ширина Полиамид - (щелевой) щели) ЗАО «Сенсор», Россия 1,5; 2; 5; 10; 18 Нерж, сталь М8;М12; 10...40 VDC CK;OK; E2G М18; М30 200 mA OMRON, Япония IF 0005 2 Латунь 12 20...250 VAC! CK IA 0032 10 20 VDC IG0011 5 18 IB 0016 20 34 IGM 200 8 Нерж, сталь 18 10...36 VDC OK ИМ 209 22 30 Ifm-electronic, Германия IH04 0,8 Нерж, сталь 4 10..30 VDC OK IM 05 0,8 Нерж, сталь 4 IM 08 1,5; 2,5;3 Медь 8 IM 18 5; 8; 12 Медь 18 IM 30 10; 15; 22 Медь 30 SICK AG, Германия Индуктивные выключатели имеют выходной сигнал типа ОК (рпр или прп) или СК (релейный), напряжение питания постоянное (10...30 VDC) или переменное (35...250 VAC), расстояние срабатывания от 1,5 до 150 мм, степень защиты корпуса IP67, диапазон температур от -25 до +70 °C. Индуктивные выключатели переменного тока, в которых коммутирующим эле- ментом служит тиристор, могут применяться вместо механических концевых выклю- чателей для управления катушками магнитных пускателей без промежуточных реле в цепях переменного тока. При управлении катушками реле ток отпускания должен быть больше остаточного тока выключателя. При использовании в качестве коммутирую- щего элемента транзистора управление катушками магнитного пускателя осуществля- ется без промежуточных реле в цепях постоянного и переменного тока. Выключатели постоянного тока имеют более высокое быстродействие по сравнению с выключателя- ми переменного тока. Выпускаются индуктивные выключатели во взрывобезопасном исполнении. На рис. 1.63 показан индуктивный датчик E2G фирмы Omron.
108 ГЛАВА 1 Известны индуктивные выключатели пороговой частоты, содержащие в одном корпусе индуктивный выключатель и встроенное микропроцессорное устройство, настраиваемое потенциометром на определенную частоту срабатывания. При из- менении частоты вращения, например, электродвигателя транспортера, на выходе выключателя появляется сигнал, используемый для выключения двигателя или др. операций. Также в промышленности используются индуктивные выключатели с вы- ходным аналоговым сигналом (например, 0...20 мА). Эти датчики используются для измерения расстояния, ширины и толщины материала, волнистости ленты и др. 1.7.2 Емкостные бесконтактные выключатели Основной особенностью емкостных выключателей по сравнению с индуктивны- ми является то, что они реагируют не только на металлы, но и на неметаллические предметы, что обусловило их применение в химической, деревообрабатывающей, бу- мажной, стекольной промышленности, в процессах переработки пластмасс и др. Принцип действия емкостного выключателя основан на изменении емкости датчика при приближении объекта (металл или диэлектрик) к активной (торцевой) поверхности выключателя. Активная поверхность выключателя образована пласти- нами «развернутого» конденсатора (рис. 1.64), включенного в цепь обратной связи высокочастотного генератора. При отсутствии объекта вблизи активной поверхно- сти датчика колебания генератора отсутствуют. Генератор Демодулятор Триггер Коммутационный элемент Рис. 1.64 Приближение объекта к активной поверхности датчика вызывает удлинение электрического поля перед активной поверхностью датчика, увеличение емкости между электродами и амплитуды высокочастотных колебаний генератора, что при- водит к формированию выходного сигнала выключателя. Чем больше величина диэлектрической постоянной е материала, тем больше расстояние срабатывания. Величина диэлектрической постоянной е для различных материалов приведена в табл. 1.51, а на рис. 1.65 представлен график зависимости расстояния срабатывания (sr, %) от диэлектрической постоянной е материала. Таблица 1.51. Величина диэлектрической постоянной е для различных материалов Материал £ Материал Е Материал £ Аммиак 16 Керосин 2,2 Спирт этиловый 26 Бумага 2,3 Каучук 2,8 Стекло 5 Бензол 2,3 Мрамор 8,3 Текстолит 7,5 Вода 80 Нефть 2,2 Толуол 2,4 Воздух 1 Полиамид 5 Трансформ, масло 2,3 Гетинакс 4,5 Полипропилен 2,3 Фарфор 4,4 Дерево 2...7 Полистирол 3 Фторопласт 2 Кварц, стекло 3,7 Полиэтилен 2,3 Цемент 2 Кварц, песок 4,5 Резина 2,6 Эбонит 4
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 109 Зависимость реального расстояния забатывания Sr от диэлектрической проницаемости Рис. 1.65 Емкостные выключатели применяются для контроля уровня жидких или сыпу- чих материалов, сигнализации провисания или обрыва ленты, позиционирования и счета объектов и др. В табл. 1.52 приведены технические характеристики емкостных выключателей. Таблица 1.52. Характеристики емкостных выключателей Тип выключателя, производитель Расстояние срабатывания, $п, мм Материал корпуса Диаметр корпуса, мм Напряжение питания Частота срабатывания Выходной сигнал ВБ1.18М ВБ1.30М ЗАО«МЕГА-К», Россия 10 20 Латунь 18 10...30 VDC 100 Гц ок ВБЕ-Ц18 5 Полипропилен 18 10...30 VDC 10 Гц ок ВБЕ-ЦЗО 20 Полиамид 30 10...30 VDCI ок 90...250 VAC СК ВБЕ-Ф60 40 Полиамид 60 10...30 VDCI ок ЗАО «Сенсор», 90...250 VAC СК Россия KG0001 8 Латунь 18 20...250 VAC 50 Гц ок KG 5003 8 18 10...36 VDC 50 Гц KG0025 20 34 20...250 VAC 40 Гц KG5004 20 34 10...36 VDC 40 Гц Ifm-electronic, Германия СМ 18 8; 12 Пластик 18 10..40 VDC 10/С...30/С ок СМ 30 16; 25 30 10...40 VDC/ SICKAG, Германия 20...265 VAC 1.7.3 Магниточувствительные бесконтактные выключатели Магниточувствительные датчики по сравнению с индуктивными имеют большее расстояние срабатывания (до 85 мм) при высокой частоте переключений (до 20 кГц). Недостаток — необходимость внешнего постоянного магнита или магнитной метки на объекте. Принцип работы магниточувствительного бесконтактного выключателя осно- ван на изменении характеристики чувствительного элемента на основе геркона или на эффекте Холла при воздействии внешнего магнитного поля (рис. 1.66).
по ГЛАВА 1 управляющий объект Рис. 1.66 При приближении объекта с магнитом к вы- ключателю происходит увеличение напряженно- сти магнитного поля, что вызывает срабатывание триггера и изменение выходного сигнала датчи- ка. В случае появления в зоне между датчиком и внешним магнитом ферромагнитного материала напряженность магнитного поля уменьшает- ся, срабатывает триггер и изменяется выходной сигнал датчика. При удалении объекта в первом случае и ферромагнитного материала во втором случае происходит обратный процесс и выключа- тель возвращается в исходное состояние. К преимуществам магниточувствительных выключателей с герконом относятся возмож- ность работы при постоянном или переменном напряжении, простота конструк- ции. Достоинство выключателей на эффекте Холла — большая частота коммута- ции (до 20 кГц). Технические характеристики магниточувствительных бесконтакт- ных выключателей приведены в табл. 1.53 Таблица 1.53. Характеристики магниточувствительных бесконтактных выключателей Тип выключателя, произ- водитель Расстояние срабатыва- ния, sn> мм Материал корпуса Диаметр корпуса, мм Напряжение питания Частота срабатывания Выходной сигнал ВБ5.12М ВБ5.12М ЗАО «МЕГА-К», Россия 10 10 Латунь 12 12 10...30 VDC 400 Гц 20 кГц Геркон; ОК ME 5002 MF 5001 Ifm-electronic, Германия 60 60 Латунь 8 12 10...30 VDC 5 кГц ОК BIM-EG08-Y1X BIM-M12E-Y1X (0ExiaIICT6X) SICK AC, Германия 78 90 Латунь 8 12 +8,2 VDC 1 кГц 2,2 мА<1< 1 мА 1.7.4 Оптические бесконтактные выключатели Оптический выключатель имеет собственный излучатель и приемник излучения, размещенные раздельно или в одном корпусе. Для повышения эффективности рабо- ты выключателя осуществляется модуляция светового потока, что устраняет влия- ние посторонних засветок и др. помех. Принцип работы оптических выключателей основан на прерывании потока из- лучения, направленного от излучателя к приемнику, посторонним непрозрачным объектом. Такой тип выключателя называется барьерным (рис. 1.67). К преимуществам такого выключателя относится большое расстояние от излу- чателя до приемника (десятки метров), высокая помехозащищенность. Недостаток — наличие двух частей изделия (излучателя и приемника) с необходимостью точной настройки. Принцип действия оптического выключателя, излучатель и приемник излучения которого находятся в одном корпусе (рис. 1.68 и 1.69), основан на эффекте диффузно-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 111 Рис. 1.67 го или зеркального отражения светового потока от объекта. Такой тип выключателя называется диффузным. Достоинством выключателя является простота настройки и экономия питания. Недостаток — возможность ложных срабатываний от объектов с большой отражательной способностью. В качестве излучателя в оптических выключателях используется диод, а в каче- стве приемника излучения — фотоприемник (фотодиод, фототранзистор). Поток из- лучения формируется в ИК-диапазоне или в красном участке спектра. Для доступа луча в труднодоступные зоны используются гибкие световоды. К числу оптических бесконтактных выключателей относятся лазерные датчики. Их основное назначение — контроль мелких объектов. Поток лазерного излучения позво- ляет контролировать объекты на расстоянии до 60 м, а четко видимая лазерная точка облегчает настройку системы. К недостаткам лазерных датчиков относят меньший срок службы, более высокую стоимость и чувствительность к вибрациям. Характеристики лазерных датчиков приведены в табл. 1.54. Также к оптическим бесконтактным выклю- чателям относят оптические (фотоэлектрические) защитные барьеры, формирующие в одной плоскости параллельные лучи с шагом примерно 20 мм. Максимальная высота барьера — до 1 м, ширина — до 16 м. Минимальный раз- мер обнаруживаемого объекта — 25 мм. При наличии в зоне барьера дыма или пыли, могущих повлиять на прием ИК-излучения, датчики защитных барьеров имеют регу- лировку чувствительности. Защитные барьеры применяются там, где необходим запрет или ограничение до- ступа в контролируемые зоны посторонних непрозрачных объектов, в том числе рук человека. Рис. 1.68 Рис. 1.69
112 ГЛАВА 1 В табл. 1.54 приведены технические характеристики оптических бесконтактных выключателей. Таблица 1.54. Характеристики оптических бесконтактных выключателей. Тип выключателя, производитель Расстояние срабатывания, ММ Материал корпуса Диаметр корпуса, мм Напряжение питания Частота срабатывания, Гц Выходной сигнал Оптические бесконтактные выключатели ВБ3.12М.70.Т12000 0... 12 000 Латунь 12 10...30 VDC 100 ок (барьерный) ВБ3.18М.65.Т16000 0... 16 000 Латунь 18 10...30 VDC 100 ок (барьерный) BE3.12M.70.TR400 5...400 Латунь 12 10...30 VDC 400 ок (диффузный) BB3.18M.65.TR400 0...400 Латунь 18 10...30 VDC 400 ок (диффузный) ПКФ «Страус», Россия ВБО-Э20-200Р 0... 16000 Алюминий 23x65 10...30 VDC 250 ок (барьерный) ВБО-М18 76К (диффузный) ЗАО «Сенсор», 100 Латунь 18 10...30 VDC 250 ок Россия OF 5018 (барьерный) 0...4000 Латунь 12 10...36 VDC 400 ок ОБ 5010 1...400 Латунь 12 10...36 VDC 400 ок (диффузный) Ifm-electronic, Германия Лазерные бесконтактные выключатели ОБ 5018 (барьерный) 2000...6000 Латунь 18 10...30 VDC 500 ок ОС, 5056 1...I50 Латунь 18 10...30 VDC 500 ок (диффузный) Ifrn-electronic, Германия Люминесцентные датчики LUTl B/U 50... 150 Металл 23x70x60 10...30VDC 600... ок, SICK 6 кГц 0... 10 VDC (Германия) LUT 3-6/3 10/20/50/90 Металл 27x88x85 12...30 VDC 1500 ок, SICK (Германия) 0,5...10 мА Видеодатчики ICS 101/111 70 Металл 47x47x140 24 VDC 400 ок SICK (RS-232) (Германия) AGD/DC1 330 Металл 47x47x140 24 VDC 400 ОК SICK (Германия)
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 113 1.7.5 Ультразвуковые бесконтактные датчики Принцип действия ультразвуковых датчиков основан на зависимости времени прохождения ультразвуковых колебаний от излучателя до границы раздела сред и обратно от расстояния до объекта. Основной характеристикой ультразвукового дат- чика является дальность действия. Нижней границей дальности является величина «мертвой зоны», определяемой временем затухания датчика, по прохождении кото- рого датчик будет способен вновь принимать отражаемые сигналы. Угол распростра- нения ультразвуковых колебаний датчика составляет примерно 5 °. Имеется два режима работы ультразвуковых датчиков: по отражению (режим отражения сигнала от объекта) и режим ультразвукового фотореле. Ультразвуко- вое фотореле однонаправленного действия состоит из излучателя и установленно- го напротив него приемника излучений. При нахождении объекта между излучате- лем и приемником происходит изменение состояния коммутационного выхода. На рис. 1.70 показаны схема работы (а) и общий вид ультразвукового датчика М18 фир- мы Siemens (б). Клинообразный УЗ-луч Объект Sonar-BERO а "Мертвая" •“ зона Настроенная коммута -ционная или аналоге пая зона (горит диод) руемое) —Дальность действия--------* Рис. 1.70 Угол распрост- ранения УЗ ок. 5е Рис. 1.71 1.7.6 Люминесцентные датчики Люминесцентные датчики для автоматизации производственных процессов определяют объекты, содержащие невидимую УФ люминесцентную метку, которая не может быть обнаружена невооруженным глазом. Работа датчика построена на способности некоторых материалов флуоресцировать — излучать в видимом диапазоне при поглощении ультрафиолетового света. Активный элемент датчика излучает ультра- фиолетовый сигнал, а детектор распознает видимое вторичное излучение и подтверждает наличие объекта. Помимо поверхностного нанесения невидимых меток, в промышленности применяется метод добавки лю- минесцентных порошков и жидкостей в краску, масло, чернила и дру- гие жидкие объекты. Расстояние считывания может быть изменено по- средством использования сменных линз. Датчики также поставляются с оптоволоконными кабелями. На рис. 1.71 представлен общий вид люминесцентных датчиков LUT1 B/U и LUT 3-6/3-8/3-9. Характеристики датчиков приведены в табл. 1.54. 1.7.7 Видеодатчики Видеокамера позволяет с высокой точностью распознавать объекты; имеет вы- сокую скорость «захвата» изображения и короткое время срабатывания (2,5 мс). Ка-
114 ГЛАВА 1 Рис. 1.72 мера имеет функцию распознавания до 4 и более раз- личных объектов, включая объекты с высокой отра- жающей способностью. Память видеокамеры может хранить данные о 16 объектах. Характеристики видеодатчиков приведены в табл. 1.54. На рис. 1.72, а показан общий вид обучаемого ви- деодатчика ICS 101/111,ана рис. 1.72, б показан цвет- ной видеодатчик AGD/DC1. На рис. 1.73 показаны примеры применения бесконтактных датчиков на произ- водстве. в Рис. 1.73 1.8. Показывающие и регистрирующие приборы 1.8.1 Показывающие аналоговые и цифровые приборы В аналоговых измерительных приборах используются электромеханические из- мерительные преобразователи, преобразующие электрическую величину (ток, на- пряжение) в угловое или линейное перемещение указателя. Электромагнитные приборы для измерения переменного тока и напряжения основаны на взаимодействии магнитного поля измеряемого тока, проходящего че- рез катушку, с одним или несколькими сердечниками из магнитомягкого материала. В приборах используется неподвижная катушка и подвижный сердечник со стрел- кой. Подвижный сердечник может быть выполнен с плоской или круглой катушкой. Приборы электромагнитной системы позволяют измерять действующее значение тока и напряжения в цепях с искаженной формой сигнала. Помимо электромагнитной системы в приборах для измерения переменного тока и напряжения используется магнитоэлектрическая система с выпрямителем. Измерительный механизм с внутрирайонным магнитом имеет опоры на кернах или растяжках и выпрямитель в измерительной цепи. Основным элементом магнитоэлектрических приборов, предназначенных для измерения постоянного тока и напряжения, являются постоянный магнит и катушка
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 115 Рис. 1.74 Рис. 1.75 Рис. 1.76 Рис. 1.77 (рамка). Приборы выполнены с подвижной катушкой или с подвижным магнитом. В первом случае магнит по отношению к катушке является внешним. В воздушном зазоре между магнитопроводом и полюсными наконечниками магнита находится цилиндрический сердечник с катушкой и стрелкой. Магнитоэлектрические приборы используются для измерения токов от 10 мкА до 20 А и напряжений от 25 мВ до 750 В при прямом включении. Для измерения в большем диапазоне применяются внешние шунты и добавочные сопротивления. В электродинамической системе электроизмерительных приборов использует- ся подвижная катушка со стрелкой и неподвижная катушка. Основное применение электродинамическая система нашла в переносных приборах переменного тока. В ферродинамических измерительных приборах для создания магнитного потока в рабочем зазоре используется электромагнит, состоящий из неподвижной катушки, магнитопровода и ферромагнитного сердечника. Подвижной частью является бес- каркасная рамка со стрелкой. Ферродинамические приборы в основном используют- ся для измерения мощности. Шкалы приборов могут быть квадратными (отклонение стрелки по шкале равно 90°) или круглыми (отклонение стрелки по шкале равно 240°) (рис. 1.74). На рис. 1.75 представлен вольтметр типа IQ 72 фирмы АВВ с установкой на DIN- рейку. Индукционные измерительные устройства используются в электросчетчиках энергии переменного тока. Прибор состоит из электромагнитов с обмотками, пи- таемыми переменным током. В зазорах магнитопроводов располагается подвижный алюминиевый диск, в котором индуктируются токи, взаимодействие которых с маг- нитными потоками создает вращающий момент. Для расширения пределов измерения приборов постоянного тока применяют до- бавочные сопротивления, включаемые последовательно с прибором, и шунты, вклю- чаемые параллельно (рис. 1.76). За счет шунтов расширяются пределы измерения по току, за счет добавочных сопротивлений — по напряжению. Добавочные сопротивления и шунты могут быть внутренними (в корпусе прибора) или наружными. Внутренние шунты применяют для токов примерно до 30... 50 А. Для уменьшения погрешности измерений напряжения или тока сопротивление вольтметра должно быть достаточно велико (вольтметр должен иметь малое потре- бление), а сопротивление амперметра по тем же соображениям должно быть мало. Для преобразования значений токов или напряжений в стандартный (унифи- цированный) вид используются измерительные трансформаторы тока и напряже- ния (рис. 1.77). Стандартными величинами тока и напряжения принято считать для тока— 5 А (иногда 1 А), для напряжения — 100 В.
116 ГЛАВА 1 Рис. 1.78 Первичная обмотка трансформатора тока включается в линию последовательно. Во вторичную обмотку трансформа- тора тока включается амперметр и последовательные цепи др. измерительных приборов. Первичная обмотка трансформато- ра напряжения включается в линию параллельно, а к зажимам вторичной обмотки трансформатора напряжения подключа ется вольтметр. Коэффициент трансформации измерительных трансфор- маторов указывается в паспортных данных измерительных трансформаторов. Крепление электроизмерительных приборов осуществля- ется на лицевой панели щита или пульта управления (щито- вые или панельные приборы) и на DIN-рейку. На щитовые приборы распространяется стандарт МЭК 51. Щитовые приборы могут эксплуатироваться при температуре -25...+50°С. По представлению результатов измерения электроизмерительные приборы де- лятся на аналоговые (стрелочные) и цифровые измерительные приборы. В цифро- вых приборах осуществляется автоматическое преобразование аналоговой величи- ны в дискретную с выдачей результатов измерения в виде числа на шкале прибора (рис. 1.78). Цифровые приборы имеют меньшую погрешность измерения, высокое быстродействие и хорошую помехоустойчивость. В табл. 1.55 приведены технические характеристики некоторых показывающих аналоговых и цифровых приборов основных производителей. Более подробная информация о приборах и методах измерения электрических величин дана в работах 11.98-1.106]. Таблица 1.55. Характеристики показывающих аналоговых и цифровых приборов Тип (фирма) Система из- мерения Предел измерения (мА, А. В) Способ подключения Класс точности Габаритные размеры, мм 1 2 3 4 5 6 Аналоговые электроизмерительные приборы Амперметры постоянного тока М381 (АООТ «Краснодар- ский ЗИП») Магнито- электрическая 0,5... 500 мА, 1...30А, 30...750 А, 1...7,5кА Непосредственное Наружный шунт 1,5 120x120x60 М42300 (ОАО «Электропри- бор», Чебоксары) Магнитоэлек- трическая 0,5...600 мА, 1...750 А, 0,075...3 кВ 1...15А, 2.. 150 В: непо- средственное; 20.. .750 А — шунт 75 мВ 1,5 40x40x48 М1830М1 (ЗАО «Электроточ- прибор», Омск) Магнитоэлек- трическая 100 мкА... 5 А: 10...500А Непосредственное Наружный шунт 0,5 240x30x300 (со световым указателем) CQ72 (АВВ) Магнитоэлек- трическая 100 мкА...25 А; Непосредственное 1,5 72x72 Амперметры переменного тока Е350 (АООТ «Краснодар- ский ЗИП») Электромаг- нитная 5...750 мА, 1...300А, 1...800А, 1...4кА Непосредственное; через трансформатор тока со втор, током 1 или 5 А 1.5 96x96x107
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 117 Продолжение табл. 1.55 1 2 3 4 5 6 ЭА0700 (ОАО «Электропри- бор», Чебоксары) Электромаг- нитная 1А...5 кА 1...10 А: непосредственное; 20 А...5 кА —через трансф-ор тока 1,5 80x80x50 Э4203 (ОАО «Электропри- бор», Чебоксары) Электромаг- нитная 20...50 А Непосредственное 1,5 120x120x50 Ц1730 (АООТ «Вибратор», С.-Петербург) Магнитоэлек- трическая 5А...10 кА Через трансформатор тока со втор, током 1 или 5 А 1,5 160x30x276 IQ72 (АВВ) Электромаг- нитная 250 мА...60 А, 10...3000 А Непосредственное Через трансформатор тока со втор, током 5 А 1,5 72x72 Вольтметры постоянного тока М381 (АООТ «Краснодар- ский ЗИП») Магнитоэлек- трическая 1...150 мВ, 3...750 В, 1...15 кВ Неп осредственное; с наружным добавочным сопротивлением 1,5 120x120x60 ЭВ 0607 (ОАО «Электропри- бор», Чебоксары) Магнитоэлек- трическая 2...3000 В Непосредственное 1,5 96x96x50 М1738 (АООТ «Вибратор», С.Петербург) Магнитоэлек- трическая 10 мВ...600 В Неп ©средств енное 1,0 160x30x276 CQ72 (АВВ) Магнитоэлек- трическая 60 мВ...600 В Непосредственное 1,5 72x72 Вольтметры переменного тока Е349 (АООТ «Краснодар- ский ЗИП») Электромаг- нитная 6 ..500 В, 450...750В, 3,5...600 кВ Непосредственное Через трансформатор напряжения с вторичным напряжением 100 В 1,5 72x72x55 Э4203 (ОАО «Электропри- бор», Чебоксары) Электромаг- нитная 10...750 В Непосредственное 1,5 120x120x50 Ц1730 (АООТ «Вибратор», СПетербург) Магнитоэлек- трическая 30...450 В Непосредственное 1,5 160x30x76 IQ 72 (АВВ) Электромаг- нитная 6...800 В, 3,3...44 кВ Непосредственное Через трансформатор напряжения с вторичным напряжением НОВ 1,5 72x72 Ваттметры Д390 (АООТ «Краснодар- ский ЗИП») Ферродинами- ческая 1 кВт (кВар)... 30 ГВт (ГВар) (номин. ток 5 А, номин. напряже- ние 127,220,380 В) Непосредственное и через трансформаторы тока и напряжения 1,5 160x30x272,5 Цифровые приборы Амперметры Ф295 (ЗАО «ПО Электро- точприбор», Омск) — 5...500 мА — 0,1 80x160x250
118 ГЛАВА 1 Окончание табл. 1.55 1 2 3 4 5 6 Вольтметры Ф296 (ЗАО «ПО Электро- точприбор», Омск) — 500 мВ...5 В, 10 В... 1000 В — 0,1 80x160x250 N17Z (LUMEL, Польша) — 1...500В, 0,01...40 А, 20...200 Гц Непосредственное; с шунтом; неп осредственное 0,1 52,5x90x64,5 DIN 1.8.2 Регистрирующие приборы Одноканальные и многоканальные регистрирующие приборы с записью измеря- емых величин на диаграммной ленте и имеющие на пишущем узле указатель являют- ся одновременно и показывающими приборами. В ряде регистрирующих приборов в верхней или нижней частях лицевой панели располагается ЖК-дисплей или цифро- вой указатель номера канала и значения параметра в момент измерения. К основным достоинствам регистрирующих приборов относятся наглядность, наличие документирования данных в каждый момент времени, дешевизна. К недо- статкам относятся затраты на обслуживание прибора — замену ленты, чернил, чист- ку лентопротяжного механизма и др. Эти недостатки сокращаются за счет примене- ния качественных пишущих узлов плоттерного (фломастерного) типа и улучшения конструкции лентопротяжного механизма. Дальнейшее улучшение функциональных характеристик приборов связано с наличием интерфейсов связи с компьютером RS- 232 и RS-485, многоцветной печати данных, функций самодиагностики с регистраци- ей результатов на диаграммной ленте, защитой от несанкционированного доступа, повышенной защитой от пыли и влаги вплоть до IP65, контролем обрыва или корот- кого замыкания датчиков, наличием встроенных преобразователей входных сигна- лов в унифицированные токовые и др. Основными характеристиками регистрирующих приборов являются: • число каналов измерения; • основная погрешность, %; • ширина диаграммной ленты, мм; • скорость перемещения диаграммной ленты, мм/ч; • характеристики входных сигналов; • регистрация параметра: аналоговая или цифровая; • дополнительные устройства: сигнализаторы, регуляторы; • преобразователи; • выходной интерфейс (RS-232, RS-485 и др.); Рис. 1.80 Рис. 1.79 Рис. 1.81
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 119 • напряжение питания; • габаритные размеры, мм. На рис. 1.79 и 1.80 представлены регистраторы Альфалог-100 и Технограф, а на рис. 1.81 — Variograph фирмы Siemens. В табл. 1.56 приведены сравнительные характеристики некоторых регистрирую- щих приборов. Таблица 1.56. Характеристики некоторых регистрирующих приборов Модель (фирма) Число каналов измерения Входные сигналы Ширина диаграмммной ленты, мм Скорость перемещения диагр. ленты, м/ч Погреш- ность % Выходной интерфейс Альфалог-100 (ГК «Метран») 1,2,3 или 6 ТП: L,B,S,T,R,N,K,J; ТС: 50П,100П, 50М, 100М, PtlOO, PtlOOO; -20...20, -100... 100, -200...200 мВ; 0...10, -5...5, -10... 10В, 0/4...20 мА 100 5, 10,20,60,120, 240, 300,600 ±0,25 4хСК; RS-485 Технограф (ГК «Метран») 12 ТП: К, L.S, В; ТС: 50П, 100П, 50М, 100М; 0...10,0...20,0...50,0...100 мВ; 0...5В, 0...5,0/4 ..20 мА 160 5, 10,20,40, 60, 120,240,480, 1200,2400 ±0,25 24хСК, RS-232, RS-485 PMT-39D -49D (ГК «Метран») 6; 1 или 3 ТП: К, L.S, А-1; ТС: 50П, 100П, 50М, 100М, PtlOO 0...10,0...20,0...75,0...100 мВ; 0...5,0/4...20 мА 100 10, 20, 60,120, 240; ±0,25 4хСК, RS-232 Variograph (Siemens) 12 AI: 3,6,12 DI/DD: 6/8 100; 200 — ±0,15 RS-232, RS-485 KE-8 (LUM EL) 1,3,6 Универсальные 100 — ±0,5 RS-232, RS-485, RO 1.8.3 Безбумажные самописцы Безбумажные (экранные, дисплейные) самописцы имеют целый ряд преимуществ по сравнению с регистрирующими приборами с диаграммной лентой. Безбумажный самописец является цифровым регистратором данных на цветном экране дисплея. Данные отображаются в виде трендов (аналог диаграммной ленты), гистограмм или буквенно-цифровой информации. Входными сигналами являются сигналы от термопар, термометров сопротивле- ния, а также от датчиков давления, уровня и др. неэлектрических величин, преоб- разованных в аналоговые сигналы постоянного тока, активное сопротивление или в дискретные сигналы. Число гальванически изолированных каналов составляет для различных модификаций от 3 до 32 каналов. К числу универсальных каналов .отно- сятся входной ток 0...5,0/4...20 мА, напряжение 0... 10 В, +1 В, +10 В, ± 10 мВ. К числу достоинств безбумажных самописцев относятся: отсутствие бумаги и пишущих узлов, сохранение в энергонезависимой памяти (от 32 до 64 Мбайт) резуль- татов измерения текущего времени, состояния дискретных входов и выходов. Даль-
120 ГЛАВА 1 Рис. 1.82 Рис. 1.83 нейшее сохранение данных осуществляется на дискете или в памяти компьютера. Глубина архива, определяемая пользователем, составляет до 20 суток и более, диапа- зон времени для одного экрана — от одной до 250 мин. Диапазон времени измерения по всем каналам составляет от 0,2 до 1 секунды, скорость графопостроения — от 1 до 12000 мм/ч. Размер ЖК-дисплея составляет для большинства приборов от 5,5" (320x240 точек) до 12,1" (800x600 точек). На рис. 1.82, а показан цифровой дисплей- ный самописец SIREC DS, на рис. 1.82, б — SIREC DH фирмы Siemens. На рис. 1.83 показан многоканальный регистратор РМТ 69 Ех НПП «Элемер». Конфигурация параметров прибора осуществляется потребителем с помощью кнопочной клавиатуры прибора или с компьютера по интерфейсу RS-232 или RS-485. Помимо кнопок на панели прибора могут располагаться светодиодные индикаторы состояния релейных выходов и состояние «авария». К другим функциональным особенностям приборов относятся диагностика об- рыва датчиков, усреднение показаний, извлечение квадратного корня, математи- ческие функции (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в квадрат, логарифмирование, экспоненциальное сглаживание и др.). Для аналоговых входных каналов может быть введено математическое выражение (до 200 знаков на канал). За счет наличия дискретных входов возможно управление такими функциями, как «старт», «стоп», «сброс», «суммирование» и др. Дискретные выходы позволяют подключать исполнительные реле с коммутацией токовой нагрузки до 5 А при напря- жении переменного тока 220 В при выходе любого параметра за пределы уставок. В табл. 1.57 приведены технические характеристики безбумажных самописцев отечественных и зарубежных производителей. Таблица 1.57. Характеристики безбумажных самописцев Модель (производи- тель) Число каналов Объем внутренней памяти, Мб Размер дисплея Погреш- ность, % Выходной сигнал Напряжение питания Габаритные размеры, мм 1 2 3 4 5 6 7 8 РМТ 69Ех (НПП «Элемер») Входные: 6 — универсальные; 16 — дискретные Выходные: 16 — релейные 8...64 5,7" цветной ±0,25 RS-232, RS-485 220 VAC 227x145x260 М660.1 (ООО «Юри- мов») 8: 0,1...500 мА; 1 А — пост, ток; 10...250 В — пост, напряжение 8...64 240x128 точек, ч/б ±0,25 2xRS-485 220 VAC 160x160x215
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 121 Окончание табл. 1.57 1 2 3 4 5 6 7 8 Ш 9329А НПФ «Сенсорика» Входные: 16 — универсальные; 11 — дискретные Выходные релейные — 2,16, 32 Флэш 16 Мбайт 5,7" цветной ±0,1 RS-232, RS-485 220 VAC 200x144x360 REGIGRAF «Вибратор» Входные: 16 — универсальные; 8 — дискретные; Выходные: 4 — аналоговые, 16 — релейные Флэш 16 Мбайт 10,4" цветной ±0,25 RS-232, RS- 485, Ethernet (no заказу) 220 VAC 255x205x165 ЭР-6 (НПП «Авто- матика») Входные: 6 — универсальные; Выходные: 6 — дискретные, 2 — аналоговые 4...32 5,7" цветной ±0,25 (± 0,5 для тер- мопар) RS-232, RS-485 85...265 VAC, 90...300 VDC 144x185x115 СЛЕД (ООО Сев,- зап. прибор- ный парк) Входные: 12 — универсальные; 7 — дискретные Выходные: 5 — релейные Флэш 128 Мбайт 5,7" цветной ±0,25 RS-232, RS- 485, Profibus DP 220 VAC 138x138x225 SIRECDM (Siemens) Входные: 8,12,16 — универ- сальные; 16 — дис- кретные Выходные: 4 — релейные, 2 — аналоговые 4...8 5,7" цветной ±0,04 RS-232, RS- 485. TCP/IP 90...240 VAC, 24 VDC 144x144 SIRECDH (Siemens) Входные: 24,32 — универсаль- ные; 32 — дискрет- ные Выходные: 8 — релейные 4 — аналоговые 4...8 12,1" цветной ±0,1 RS-232, RS- 485, TCP/IP 90...240 VAC, 24 VDC 300x300 LOGOSCREEN 500 (JUMO) Входные: 6,12 — универсаль- ные, 4 — дискретные Выходные: 3 — релейные Флэш 1 Мбайт 5" цветной + 0,15 RS-232. RS-485 110...240 VAC, 20...53 VDC 144x144x214 KD3 (LUMEL) Входные: 3,6,12 — универ- сальные; Выходные: 6 — релейные 1,44 5" цветной ±0,5 RS-232, RS-485 93...253 VAC, 20...53 VDC 220x144x250 1.9. Функциональные устройства систем автоматизации 1.9.1 Нормирующие преобразователи Нормирующие преобразователи неунифицированных входных сигналов в нор- мированные выходные сигналы широко используются в системах автоматизации.
122 ГЛАВА 1 Входными сигналами нормирующих преобразователей являются сигналы термо- пар, термометров сопротивления, дифференциально-трансформаторных и ферроди- намических датчиков, датчиков давления, расхода и др. Выходными сигналами измерительных (нормирующих) преобразователей явля- ются сигналы постоянного тока 0...5 мА, 0/4...20 мА, а также сигналы напряжения 0...5 В, 0...10 В, -5...+5 В или -10...+10 В. По числу преобразуемых входных или выходных сигналов преобразователи делят- ся на одноканальные и многоканальные, а по условиям эксплуатации на преобразо- ватели в общепромышленном и взрывозащищенном исполнении. Используемый вид взрывозащиты — «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia» в соответствии с ГОСТ Р 51330.0-99. По зависимости выходного сигнала от входного преобразователи могут быть с линейной или нелинейной зависимостью, а по связи между входными и выходными цепями — с гальванической связью или без нее. Ряд преобразователей имеют ЖК-дисплей для индикации значений преобразуемого параметра. В табл. 1.58 приведены технические характеристики некоторых нормирующих преобразователей отечественного производства. Таблица 1.58. Технические характеристики некоторых нормирующих преобразователей Модель Тип первичного преобразователя Число кана- лов преоб- разования Погрешность преобразова- ния, % Выходной сигнал Напряжение питания, В Габаритные размеры, мм ИПМ 0104Ех НПП «Элемер» ТС: 50МД00М, 50П, 100П, PtlOO; ТП: L, К 2 ±0,5% 0...5 мА, 4...20 мА 24 VDC 78,5x22,5x60,5 НП-02 ГП «Метран» ТС: 50МД00М, 50П, 100П; ТП: L, К, S, В 1 +0,5% 0...5 мА, 4...20 мА 220 VAC 72x144x180 Ш9322А-2 ГП «Метран» ТП: L, К, S, В, А-1, А-2, А-3 2 +0,5% 0...5 мА, 4...20 мА 220 VAC 60x160x350 ИПМ 0196/MI ГК «Метран» ТС: 50МД00М, 50П, 1 ООП, PtlOO; ТП: L, К, А 2 ±0,5% 0...5 мА, 4...20 мА U VDC 23x75x125 ИП-Т10 ОАО «ЗЭиМ» ТП: L, К, S, В, А-1, А-2, А-3; ТС: 50МД00М, 10П, 50П, 100П; 1 ±0,5% 0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА, 0...10В 24 VDC; 220 VAC 40x172x162 НП-ШО ОАО «ЗЭиМ» О...1О,-1О...О...1О мГн 1 +1,0% О...5мА, 0...20 мА, 4...20 мА 220 VAC 80x170x162 НП-Н10 ОАО «ЗЭиМ» 0,1...10 кОм 1 +0,5% 24 VDC через БП24 40x172x162 НП-Р10 ОАО «ЗЭиМ» До 150 мВ 1 ±0,5% 24 VDC через БП24 Преобразователи имеют возможность перестройки диапазона измерения пара- метра, а также типа НСХ (например, 50М на 100М, 50П на Ю0П или PtlOO). Крепление нормирующих преобразователей в основном осуществляется на DIN-рейку. 1.9.2 Функциональные блоки Функциональные блоки служат для выполнения определенных математических и др. функций с входными и выходными сигналами — сложение, умножение, деление,
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 123 возведение в квадрат, извлечение квадратного корня, сравнение с заданием, интегри- рование и др. К функциональным блокам относят также блоки питания. Некоторые блоки питания имеют функцию корнеизвлечения. Входными сигналами функциональных блоков являются сигналы постоянного тока 0...5, 0...20, 4...20 мА, 0...10В, сигналы от термопар, термометров сопротивле- ния и дифференциально-трансформаторных датчиков. В табл. 1.59 представлены технические характеристики функциональных устройств. Таблица 1.59. Технические характеристики функциональных устройств. Тип Основная функция Блок интегрирующего задатчика БЗИ (ОАО «ЗЭиМ») Преобразование интеграла в унифицированный сигнал постоянного тока; ограничение выходного сигнала и сигнализация при достижении Блок динамической связи БДС (ОАО «ЗЭиМ») Алгебраическое суммирование до 4-х унифицированных сигналов, демпфи- рование и динамическое преобразование выходного сигнала Блок суммирования и сигнали- зации БСС (ОАО «ЗЭиМ») Алгебраическое суммирование до 3-х унифицированных сигналов постоян- ного тока, введение сигнала от задатчика, демпфирование выходного сигна- ла и формирование выходного релейного сигнала Блок суммирования и демпфи- рования БСД ОАО «ЗЭиМ» Алгебраическое суммирование до 4-х унифицированных сигналов постоян- ного тока, сравнение их с сигналом задания, демпфирование суммы Блок нелинейных преобразова- ний БНП-2 (ОАО «ЗЭиМ») Демпфирование и нелинейное преобразование входного аналогового сигна- ла, аппроксимированного кусочно-линейным методом Блок селектирования БСЛ-2 ОАО «ЗЭиМ» Прием до 4-х унифицированных сигналов с гальваническим разделением и выходом, масштабирование, демпфирование и выделение наибольшего или наименьшего сигнала Блок вычислительных операций БВО2 (ОАО «ЗЭиМ») Алгебраическое суммирование по каждому входу унифицированных сиг- налов с масштабированием, гальваническим разделением; демпфирование результирующего сигнала; проведение между результирующими сигналами одной из операций: сложение, умножение, деление, возведение в квадрат, из- влечение квадратного корня Блок питания и корнеизвлечения МЕТРАН-611 (ГП «Метран») Питание стабилизированным напряжением 24 и 36 VDC датчиков с унифи- цированным токовым выходным сигналом и функционального преобразо- вания этого сигнала с корнеизвлекающей зависимостью (число каналов-1) Блок питания БП КАРАТ-22 (ГП «Метран») Преобразование напряжения 220 VAC в стабилизированное напряжение 24 или 36 VDC (1, 2, 4 или 8 каналов) Блок питания БПД-40-Ех (ГП «Метран») Питание стабилизированным напряжением датчиков с унифицированным выходным токовым сигналом 4...20 мА и с видом взрывозащиты «искробе- зопасная электрическая цепь» (число каналов 1 или 2) Блок питания БП96 (ГП «Метран») Питание стабилизированным напряжением 24 или 36 VDC датчиков с уни- фицированным выходным токовым сигналом 4...20 мА (число каналов от 1 до 4-х) Блоки питания с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» имеют встроенные барьеры искрозащиты. Питание функциональных блоков 220 VAC, габаритные размеры 80x160x537 мм. Корпуса приборов предназначены для щитово- го монтажа. 1.9.3 Барьеры искрозащиты Барьеры искрозащиты служат для обеспечения искробезопасности электриче- ских цепей датчиков температуры, давления и др. измерительных преобразователей в системах измерения, сигнализации и регулирования, находящихся во взрыво- и
124 ГЛАВА 1 пожароопасных зонах производств различных отраслей промышленности (химиче- ской, нефтехимической, нефтегазовой и др.). Барьеры искрозащиты в зависимости от типа имеют входные или выходные ис- кробезопасные электрические цепи, выполненные с уровнем взрывозащиты по ГОСТ Р 51330.10-99 «ib» — взрывозащищенный или «ia» — особовзрывозащищенный. Все барьеры устанавливаются вне взрывоопасной зоны и относятся к неразборным из- делиям. В «Правилах устройств электроустановок» (ПУЭ) взрывоопасная зона — это по- мещение или ограниченное пространство в помещении, в которых имеются или мо- гут образоваться взрывоопасные смеси. Вид взрывозащиты основан на ограничении энергии искрообразования. Допу- стимые параметры цепи: максимальное напряжение разомкнутой цепи до ЗОВ, ток к.з. до 100 мА, допустимая мощность до 0,45 Вт. Барьеры искрозащиты могут быть активными и пассивными. Активные барьеры обеспечивают искробезопасность и питание датчиков с унифицированными выход- ными сигналами, электропневматических преобразователей и др. устройств. Напря- жение питания активных барьеров составляет величину 36+3,6 VDC или 24+0,5 VDC. Погрешность преобразования активных барьеров ±(0,1.. .0,2)%. Пассивные барьеры обеспечивают искробезопасность датчиков и др. измери- тельных преобразователей, не имеющих собственных источников питания (напри- мер, электропневматических преобразователей, позиционеров, термопар и термоме- тров сопротивления в обычном исполнении). В блоках искрозащиты на стабилитронах (БИС) применяются защищенные плав- кими предохранителями стабилитроны для ограничения напряжения шунтировани- ем аварийного тока на землю. Барьеры состоят из шунтирующих стабилитронов и последовательно включенных резисторов или резисторов и сменных предохраните- лей. Искрозащитные элементы обеспечивают искробезопасность электрических це- пей посредством ограничения энергии. В нормальном режиме напряжение пробоя стабилитронов не превышает определенного значения и стабилитрон не пропускает ток. При превышении напряжения пробоя в случае аварии стабилитрон переходит в режим стабилизации с увеличением протекающего через него тока. При дальнейшем увеличении тока срабатывает предохранитель, предотвращая передачу критической электрической мощности во взрывоопасную зону. На рис. 1.84 показана электрическая схема барьера искрозащиты на стабилитро- нах [1.108], а на рис. 1.85 принципиальная схема соединений 2-канального барьера искрозащиты БИЗ 9712 фирмы «Сенсорика». Рис. 1.84 Рис. 1.85
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 125 В активных барьерах искрозащиты с гальванической развязкой источник сигна- ла передается или принимается из взрыво- опасной зоны через изолированный тракт (чаще оптрон). Так, в активных барьерах серии Корунд-М500 гальваническое раз- деление сигнальных цепей входа и выхода происходит благодаря преобразованию 1вых входного сигнала постоянного тока в ча- Рис. 1.86 стоту следования импульсов и передачи их через оптрон с последующим восстановлением уровня постоянного тока. На рис. 1.86 приведена принципиальная электрическая схема активного барьера искрозащиты КОРУНД-М5Ю. Это допускает возможность заземления первичного преобразователя. Для умень- шения вероятности возникновения взрывоопасной ситуации при заземлении необ- ходимо следить, чтобы только одна точка цепи была заземлена, а другая должна быть изолирована от земли (напряжение пробоя не менее 500 В.). Заземление барьера искрозащиты достигается установкой его на DIN-рельс. Кро- ме того, обычно имеется одна клемма для заземления проводом. Устройства, уста- новленные во взрывоопасной зоне (измерительные преобразователи, клапаны и др.) должны быть изолированы от земли. Если необходимо их заземление, то использу- ются барьеры искрозащиты с гальванической изоляцией. В табл. 1.60 приведены технические характеристики барьеров искрозащиты оте- чественных производителей. Таблица 1.60. Технические характеристики барьеров искрозащиты Тип Назначение Напряжение питания, VDC Габаритные размеры, мм 1 2 3 4 НПФ «Сенсорика» БИЗ-9712-А1 БИЗ-9712-А2 Активный одноканальный барьер для питания 2-про- водных датчиков с выходным сигналом 4...20 мА 24; 36 120x75x19 БИЗ-9712-АЗ БИЗ-9712-А5 Активный одноканальный барьер для управления электропневматическим клапаном Активный одноканальный барьер для управления электроконтактными датчиками ГК «Метран» РИФ-А1 РИФ-А2 РИФ-АЗ РИФ-А4 РИФ-А5 РИФ-А6 Активный одноканальный барьер для питания 2-прово- дных датчиков с выходным сигналом 4.. .20 мА Активный одноканальный барьер для управления электропневматическими преобразователями и электро- пневмопозиционерами во взрывоопасных зонах Активный одноканальный барьер для обеспечения искро- безопасности цепей систем сигнализации и управления с электроконтактными датчиками во взрывоопасных зонах 24 36 36 36 24 24 105x73x20 РИФ-А7 Активный одноканальный барьер для питания потенцио- метрических и реостатных датчиков во взрывоопасных зонах и преобразования их выходного сигнала в сигнал 0...5,0/4...20 мА 36 105x73x20
126 ГЛАВА 1 Окончание табл. 1.60 1 J 2 _ 1 з 4 «СТЭНЛИ» Корунд-М1 Корунд-М11 Корунд-МЗ Кору нд-М’DIN Корунд-М510 Корунд-М560 Активный одноканальный барьер для питания 2-х прово- дных датчиков с выходным сигналом 4.. .20 мА Активный одноканальный барьер для питания понижен- ным напряжением (до 12 В) 2-проводных датчиков с вы- ходным сигналом 4...20 мА и тензопреобразователей Пассивный 2-канальный барьер для обеспечения искробе- зопасности датчиков, не содержащих собственных источ- ников электропитания (электропневматические преобра- зователи, позиционеры, термопары и др.) Барьеры искрозащиты в корпусах для установки на DIN- рельс со сменными предохранителями Активный одноканальный барьер с гальванической изоля- цией для подключения датчиков, не содержащих собствен- ных источников электропитания (электропневматические преобразователи, позиционеры и др.) с входным сигналом 4.. .20 мА, подключаемых по 2-проводной схеме Активный одноканальный барьер с гальванической изо- ляцией для питания и искрозащиты датчиков с выходным сигналом 4.. .20 мА, подключаемых по 2-проводной схеме. Выходной сигнал барьера по стандарту RS-485 24 12 12,8 24 24 VDC 105x73x20 ООО «Ленпромавтоматика» БИ-001 БИ-002 БИ-003 БИ-005 БИА-101 Пассивный одноканальный барьер искрозащиты цепей термопар и 3-проводного подключения терморезисторов Активный одноканальный барьер для питания 2-прово- дных датчиков с выходным сигналом 4.. .20 мА Пассивный одноканальный барьер искрозащиты цепей термопар и 4-проводного подключения терморезисторо Активный одноканальный барьер для обеспечения искро- безопасное™ цепей систем сигнализации и управления с дискретными датчиками во взрывоопасных зонах Активный одноканальный барьер с гальванической изо- ляцией для обеспечения искробезопасности и питания датчиков с выходным сигналом 0/4.. .20 мА, преобразова- ния в выходной сигнал 0/1...5 В 1 36 1 12 24 114x99x17 НПО «ОВЕН» ИСКРА-ТС.01 ИСКРА-АТ.01 ИСКРА-ТП.01 Пассивный одноканальный барьер искрозащиты для под- ключения терморезисторов типа ТСМ/ТСП; Пассивный одноканальный барьер искрозащиты для под- ключения датчиков с выходным сигналом 0...5 мА, 0/4...20 мА; Пассивный одноканальный барьер искрозащиты для подключения термопар и датчиков с выходным сигналом -1...+1В; 9 30 6 98x82x22 На рис. 1.87 представлен общий вид барьера искрозащиты Искра ТС.01 про- изводства НПО «Овен». Барьеры искрозащиты выпускаются рядом зарубежных фирм, среди которых, прежде всего, следует отметить фирму Eicon Instruments (Италия), входящую с 2001 г. в состав группы компаний Pepperl+Fuchs (Германия). Фирма выпускает барьеры ис- крозащиты с гальванической развязкой серии К, серий HiD 2000 и HiD 3000, барьеры искрозащиты на стабилитронах серии Z.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 127 В табл. 1.61 приведены характеристики барьеров искрозащиты с гальванической изоляцией серии 400 фирмы Eicon Instruments, а на рис. 1.88 показан общий вид ба- рьеров искрозащиты Eicon pZ600. Таблица 1.61. Характеристики барьеров искрозащиты с гальванической изоляцией серии 400 фирмы Eicon Instruments Тип модуля Число каналов Входной сигнал во взрывобезопасной зоне Выходной сигнал во взрывоопасной зоне Питание Общие характеристики J1D411 1 «СК» Релейный выход 24 VDC (25 mA) Рабочая температура О...6О°С; изоляция 2500 V (для серии 400); р[)412 2 «СК» Релейный выход 24 VDC (25 mA) J1D431/432 1/2 «СК» Релейный выход, 2А 24 VDC (15 mA) pD441/442 1/2 «СК» 2 оптотранзистора 24 VDC (20 mA) Подключение «под винт»; габариты: 16,4х 112x92 мм. pD471/472 1/2 20...30 VDC 2 оптотранзистора (40 mA при 24 VDC, 10 mA при 12 VDQ, нагрузка 300 Ом 20...30 VDC Рабочий режим модуля конфигурируется пользователем: вход — контакт или проксимитор; входной контакт — нормально разомкнут или нормально замкнут; выходной транзистор нормально закрыт или нормально открыт; сигнализация обна- ружения повреждения линии. К другим барьерам искробезопасности с гальванической развязкой относятся 4-канальные модули дискретного ввода-вывода HiD серии 2000. Модули имеют све- тодиодные индикаторы статуса сигнала и аварии, малую потребляемую мощность, монтируются на объединительной плате. Модули HiD серии 3000 объединяются по шине Fieldbus. Задание и контроль па- раметров с управляющего персонального компьютера осуществляются через шину Profibus. Группой компаний Pepperl+Fuchs выпускается искробезопасная система ин- терфейсов дистанционного процесса IS-RPI (Remote Process Interface). Искробезо- Рис. 1.87 Рис 1.88
128 ГЛАВА 1 пасные блоки ввода-вывода могут устанавливаться прямо во взрывоопасной зоне, что значительно сокращает стоимость электропроводки. Каждый функциональ- ный модуль соединяет 16-канальные блоки ввода-вывода. Межсетевой интерфейс питает до 8 функциональных модулей и соединяет их с внешней полевой шиной (Profibus, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus). Таким образом, один межсете- вой интерфейс обеспечивает питание и сопряжение до 128 входов-выходов с по- левой шиной. В табл. 1.62 представлены функциональные модули искробезопасной системы IS- RPI. Таблица 1.62. Функциональные модули искробезопасной системы IS-RPI Тип модуля Функция Число каналов Общие характеристики RSD-BI-Exl6 Двоичный вход 16 HART- совместимость; искробезопасное питание во взрывобезопасном корпусе; «горячая» замена модулей RSD-BO-Ex4 Двоичный вход 4 RSD-CI-Ex8 Аналоговый вход 8 RSD-CI-Ex8.H Аналоговый вход с протоколом HART 8 RSD-CO-Ex8 Аналоговый вход 8 RSD-CO-Ex8.H Аналоговый выход с протоколом HART 8 Возможность передачи сигналов из взрывоопасной зоны световодными линиями связи RSD-TI-Ex8 Аналоговый температурный преобразователь (термопары и термометы сопротивления) 8 RSD-CT1-Ex2 Счетчик 2 1.9.4 Блоки питания Блоки питания предназначены для преобразования сетевого напряжения 220 В переменного тока в стабилизированное напряжение 24 или 36 В постоянного тока. Большинство контроллеров, сенсорных датчиков и датчиков с унифицированным выходным токовым сигналом требуют питающего напряжения 24 В постоянного тока. Ряд датчиков и измерительных преобразователей давления (разрежения), пере- пада давлений и др. питаются напряжением 36 В постоянного тока. По числу выходных каналов есть блоки питания с числом выходных каналов от одного до восьми. Одними из важнейших характеристик блоков питания являются поканальная гальваническая развязка, защита от перегрузки и короткого замыкания и др. Ряд блоков питания имеют светодиодную индикацию включения и перегрузки по каждому каналу, совмещение функций блока питания, преобразования, корнеиз- влечения и др. Большинство блоков питания характеризуются коэффициентом пульсации вы- ходного напряжения (+0,1% при колебании питающего напряжения +10%). Отдель- ные модификации блоков питания имеют взрывозащищенное исполнение. В табл. 1.63 представлены модификации блоков питания отечественного произ- водства.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 129 Таблица 1.63. Блоки питания отечественного производства Тип Выходное на- пряжение, В Число выход- ных каналов Максимальный ток на- грузки на канал, мА Вид монтажа Потребляемая мощность, Вт Габариты (ШхВ), мм Метран-602 24 2 120 Щитовой 10 72x160 Метран-604 24 4 80 DIN-рельс 17 70x75 Карат-22 24 (36) 1...8 50... 100 Щитовой 15...60 76x170 БПД-40ЁХ 24 1; 2 < 100 Щитовой 6; 9 72x144 БП96/24-4 24 4 80 щитовой 15 48x96 БП96/36-4 (ГК «Метран») 36 4 80 DIN-рельс 25 70x75 БП-99/24 24 2 300 Щитовой 30 70x125 БП-99/36 36 2 200 Щитовой 30 70x125 БП 2036А/36-4 36 4 45 Щитовой 20 80x160 БП2036А/36-8 36 8 25 Щитовой 20 80x160 БПИ 24-1/1 (НПП «Элемер») 24 1 1000 DIN 30 30x78 SITOP Smart 24В/10 А (Siemens) 24 1 10А DIN 200 70x125 SITOP Модульный 24В/40А 24 1 40А Щитовой 720 240x125 1.9.5 Измерительные преобразователи тока и напряжения Преобразователи однофазного и трехфазного тока и напряжения применяют- ся в качестве датчиков переменного тока для электроизмерительных приборов и систем, счетчиков, анализаторов количества и качества энергии, АСКУЭ, защиты электродвигателей и др. потребителей электроэнергии. Преобразование тока и на- пряжения до уровня 1 (5) А и 100 В осуществляются с помощью трансформаторов тока и напряжения, которые выпускаются многими отечественными и зарубежны- ми фирмами [1.110]. 1.9.5.1 Трансформаторы тока Трансформатор тока предназначен для измерения и контроля больших токов с использованием стандартных измерительных приборов и устройств автоматическо- го управления и контроля. Одновременно трансформаторы тока служат для изоля- ции аппаратуры от потенциала сети, в которой производится измерение. Трансформаторы тока Т-0,66 и ТШ-0,66 предназначены для передачи сигнала из- мерительной информации измерительным приборам в установках переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ включительно. Трансформа- тор тока Т-0,66 является катушечным, а трансформатор ТШ-0,66 — шинным. Трансформаторы класса точности 0,2S; 0,2; 0,5S; 0,5 применяются в схемах энер- гоучета для расчета с потребителями, класса точности 1 — в схемах измерения. Трансформаторы предназначены для эксплуатации в климатическом исполнении V категории размещения 3 по ГОСТ 15150. Для трансформатора ТШ-0,66 первичной обмоткой служит шина распредели- тельного устройства, пропускаемая через окно трансформатора. Выводы вторичной обмотки расположены на корпусе трансформатора и закрываются защитной крыш- 5 Зак 3801
130 ГЛАВА 1 кой, что исключает несанкционированный доступ к трансформатору в процессе экс- плуатации. Трансформаторы выполнены в пластмассовом корпусе. По специальному за- казу возможна поставка трансформаторов в корпусе из самозатухающих пластмасс. Трансформаторы крепятся к заземленным конструкциям с помощью фланцев или лап (усиленный вариант на токи 20-400 А). Трансформаторы ремонту не подлежат. Номинальный класс точности трансфор- маторов Т-0,66 — 0,2; 0,5S; 0,5; 1,0. Номинальные первичные токи — 10, 15, 20, 30,40, 50, 75,100, 150, 200, 300,400, 600, 800,1000 А. Номинальный вторичный ток — 5 А. Коэффициент трансформации 2; 3; 4; 6; 8; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80; 100; 120; 160; 200. Номинальное напряжение — 0,66 кВ. Средняя наработка на отказ порядка 200000 ч. В табл. 1.64 приведены характеристики трансформаторов тока Т-066. Таблица 1.64. Характеристики трансформаторов тока Т-066 Номинальный первичный ток, А Номинальная вторичная нагрузка, ВА Класс точности 54-75,100,150 5 0,5 204-75,100,150,200 10 100 5 1 150 0,5 150 1 200 0,5 250 0,5 300,400 0.2S; 0,2; 0,5S; 0,5 Условия эксплуатации трансформаторов: температура от -45 °C до + 40 °C, габа- ритные размеры 87x125x93 мм, масса не более 1,3 кг. На рис. 1.89 показан общий вид трансформаторов Т-0,66 (а) и ТШ-0,66 (б). Шинные трансформаторы тока ТНШЛ-0,66. Трансформаторы предназначе- ны для встраивания в комплектные распределительные устройства (КРУ) и служат для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам или устройствам защиты и управления в установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ включительно (рис. 1.90). Опорные трансформаторы тока ТОП-0,66 предназначены для работы в следую- щих условиях: высота над уровнем моря не более 1000 м; температура окружающей среды при эксплуатации от -45 до +50 °C, при транспортировании и хранении от -50 до +50 °C; окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая пыли, химически ак- Рис. 1.89 Рис. 1.90
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 131 Рис. 1.91 Рис. 1.92 тивных газов и паров в концентрациях, разрушающих покрытия металлов и изоля- цию; рабочее положение — любое. Измерительные трансформаторы тока серии ТТ компании LEM. Компания LEM, ведущий разработчик решений в области измерения электрических параметров, представляет высокоэффективный трансформатор тока с разрезным сердечником Split-core для мониторинга активной мощности (рис. 1.91). Отличительные особенности: • измерение переменного тока первичной обмотки от 0 до 100 А; • высокие точность, линейность и незначительный сдвиг фаз между первичной и вторичной обмотками; • сердечник трансформаторов ТТ выполнен из нового типа феррита с улучшен- ной магнитной проницаемостью, что позволяет осуществлять точные измерения сигналов переменного тока в расширенном диапазоне частот 50/60 Гц. Трансформаторы серии ТТ отличаются высокой точностью, имеют лучший по- казатель при меньших значениях тока первичной обмотки. Ферритовый материал обеспечивает линейность 0,1% и низкий сдвиг фаз между измеряемым напряжени- ем и током. В отличие от использующихся многослойных материалов FeSi или FeNi, новый плотный материал характеризуется незначительными воздушными зазорами, благодаря чему трансформаторы нечувствительны к старению и температурным из- менениям. Технические параметры трансформаторов тока TT50-SDh TT100-SD: • два диапазона измерения тока первичной обмотки: 50А и 100А; • габариты TT50-SD: 36,5x43x31,5 мм с диаметром отверстия 8 мм; TT100-SD: 36,5x43x31,5 мм с диаметром отверстия 16 мм; • выходной ток TT50-SD до 16 мА, TT100-SD — 33 мА; • коэффициент трансформации 3000:1. Трансфюрматоры тока ASR компании MBS Sulzbach Messwandler GmbH (рис. 1.92). Измерительные трансформаторы с круглым отверстием под кабель или втулку серии ASR, встраиваются в соединения шин или в место подключения кабеля к шине. Втул- ки из высококачественной меди обеспечивают прочное соединение. Отличительные особенности: • первичные токи 30...1000 А; • вторичный ток 1 или 5 А; • классы точности 1.0, 0,5, 0,2, 0,5s, 0,2s; • диаметр отверстия под втулку 21, 22,5,42мм; • толщина трансформаторов 44, 48,5, 49,5, 60мм.
132 ГЛАВА 1 Рис. 1.93 Рис. 1.94 Трансформаторы тока ASK (рис. 1.93). Измерительные трансформаторы серии ASK, имеют универсальное или прямоугольное отверстие с фиксаторами. Отличительные особенности: • первичные токи 30...7500 А, вторичный ток 1или 5 А; • классы точности 1,0, 0,5, 0,2, 0,5s, 0,2s; • универсальное и прямоугольное окно для шин от 20x5 до 130x130 мм. • универсальное окно также для кабеля/ втулки/шпильки диаметром от 17,5 до 90 мм. Трансформаторы тока KBU (рис. 1.94). Измерительные трансформаторы тока с разъемным сердечником серии KBU обеспечивают легкую замену при изменении на- грузки на шине в случае модернизации объекта. Регулируемые фиксаторы обеспечи- вают надежное закрепление трансформатора в любом положении на шинах меньше размера окна. Вторичный ток 1 или 5 А. Класс точности 1,0 и 0,5. Трансформаторы тока с преобразователем 4...20 мА фирмы CIRCUTER (Испа- ния). Трансформаторы тока серий TI-420, TP-420, ТСМ-420, ТСВ-420 представляют собой трансформаторы тока и измерительные преобразователи в одном устройстве. Применяются в системах измерений и автоматики, требующих стандартные входные сигналы постоянного тока 4...20 мА. Для питания преобразователей необходим либо источник постоянного тока 10...28В или 7,5...36 В (TI-420, TP-420, ТС-420), либо 220...230 В переменного тока (ТСМ-420, ТСВ-420). Для преобразователя ТС 020 дополнительного питания не тре- буется. При монтаже трансформаторы тока закрепляются на шине или на любой несу- щей поверхности. Модель ТСМ-420 монтируется на DIN-рейку. Трансформаторы тока ТР-420 с разъемным сердечником применяются для монтажа на существующих Рис. 1.95 Рис. 1.96 Рис. 1.97
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 133 сетях. Их конструкция позволяет вести монтаж без отсоединения шин и без отклю- чения напряжения. Серия трансформаторов тока TI-420-35 (-70, -105) различается отношением то- ков входа/выхода, равным 2,5; 5; 10; 20; 50; 100; 250; 500; 750; 1000 и 1500. Трансформаторы тока применяются в диапазоне температур -10...+50°С, про- должительная перегрузка до 1,5 /ном. При необходимости установки трансформаторов тока и напряжения во взры- воопасной среде выбирается взрывобезопасное исполнение, либо трансформаторы помещаются в специальные корпуса для использования во взрывоопасных средах. Например, корпуса типа Cubo ХРСР фирмы Ensto Control Оу (Финляндия) с катего- рией взрывозащиты Exe IIU или др. Материал корпусов поликарбонат или металл. На рис 1.95 и 1.96 показаны трансформаторы тока фирмы CIRCUTOR с разъем- ным магнитопроводом и с креплением на DIN-рейку. Основные технические характеристики трансформаторов токов фирмы CIRCUTOR приведены в табл. 1.65 Таблица 1.65. Технические характеристики трансформаторов токов фирмы CIRCUTOR Тип/ TI-420 ТР-420 ТСМ-420 ТСВ-420 ТС-420 ТС-020 серия 35 70 23 58 88 25 35 70 ТС5 ТС6 ТС8 ТС5 ТС6 ТС8 Диам. под кабель, мм 35 70 — — — 25 35 70 20 28 44 20 28 44 Размер под шину, мм 20x30 50x80 80x80 70 25x5 40x10 60x12 25x5 40x10 60x10 2,5 А X X 5А X X X X X 10 А X X X X X X 20 А X X X X X X 50 А X X X X X X 100 А X X X X X X X X X X 200 А X X X X X 250 А X X X X X X 300 А X X X 500 А X X X X X X X 750 А X X X X 1000 А X X X 1.9.5.2 Трансформаторы напряжения Трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого на- пряжения до стандартного значения 100 В и для гальванической изоляции цепей вы- сокого напряжения от измерительных цепей и цепей релейной защиты. Вторичную обмотку трансформатора рекомендуется заземлять (рис. 1.97). Среди большого числа трансформаторов напряжения, выпускаемых различны- ми фирмами, освоены в производстве трансформаторы малой мощности со встро- енными защитными предохранительными устройствами, трансформаторы класса точности 0,05; 0,1 и 0,2.
134 ГЛАВА 1 Известны понижающие трансформаторы типов ОСО, ОСОБ, ТБС2, ОСМ1 и др. Понижающие трансформаторы серии ОСО-0,25 выпускаются на напряжения 127/12, 127/36; 220/12 (24, 36, 42,110); 380/12, 380/220. Понижающие трансформа- торы серии ОСОВ-0,25 выпускаются на напряжения 127/12; 220/12 (24, 36, 42, 127); 380/36 (42, 127). Трансформаторы ТБС2-0.1 УЗ выпускаются на напряжения 220/36- 12, 220/24-12, 380/15-22. ГОСТ на трансформаторы напряжения измерительные лабораторные 23625-2001 устанавливает номинальную мощность трансформаторов из ряда 5; 10; 15; 25 В-А. 1.10. Исполнительные механизмы Исполнительные механизмы (электрические, пневматические, гидравлические) предназначены для перемещения (поворотного или поступательного) регулирующего органа в системах управления технологическими процессами. В качестве регулирую- щих органов в АСУ ТП используются запорные и регулирующие односедельные и двух- седельные клапана, клапаны типа «баттерфляй», шаровые запорные и регулирующие краны, пробковые краны, заслонки (шибера), поворотные дисковые затворы и др. 1.10.1 Электрические исполнительные механизмы Электрические исполнительные механизмы (Э14М) по принципу действия делят на электромагнитные (соленоидные) и моторные. Электромагнитные ЭИМ представ- ляют собой электромагнит с плунжером, связанным с регулирующим органом (РО). При подаче командного импульса на электромагнит плунжер втягивается внутрь электромагнита, перемещая РО. При снятии сигнала плунжер под действием воз- вратной пружины устанавливается в начальное положение. В зависимости от кон- струкции РО электромагнитные ЭИМ имеют исполнение НО («нормально открыт») или НЗ («нормально закрыт»). Ввиду того, что РО может занимать одно из двух край- них положений («закрыто» или «открыто») электромагнитные ЭИМ применяются в схемах двухпозиционного регулирования, а также в схемах аварийной защиты и бло- кировки. ЭИМ имеют ряд преимуществ перед пневматическими и гидравлическими ИМ. Подвод питания осуществляется по проводам, монтаж и эксплуатация которых значительно проще, чем монтаж импульсных линий. Недостатком ЭИМ является не- который выбег сервомотора и люфты редуктора. Управление электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ) осуществляет- ся контактным способом (с помощью контактов реле или магнитного пускателя) или бесконтактным способом (с помощью бесконтактных ключей пускателей, тиристор- ных или симисторных ключей). Для контроля положения вала ЭИМ и регулирующего органа ЭИМ комплектует- ся контактным блоком сигнализации положения (блок концевых выключателей) или бесконтактным (индуктивный, реостатный или токовый). Блок концевых выключа- телей (БКВ) обеспечивает сигнализацию при нахождении вала ЭИМ в крайних по- ложениях и прерывание перемещения вала в соответствующем направлении. Концевые выключатели могут быть смещены (раздвинуты или сдвинуты) в пре- делах сектора угла поворота вала ЭИМ. Поворот вала ЭИМ составляет для большин- ства однооборотных ЭИМ 0,25 оборота (90°) или 0,63 оборота (225°). Одним из крупнейших российских производителей ЭИМ является ОАО «Завод Электроники и Механики (ЗЭиМ)» (г. Чебоксары) [1.111]. Предприятие выпускает блоки сигнализации положения индуктивные БСПИ (диапазон 0... 10 мГн), блоки сиг-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 135 нализации положения реостатные БСПР (диапазон 0...120 кОм), блоки сигнализации положения токовые БСПТ (диапазон 0...5, 0...20 или 4...20 мА). Также для сигнали- зации положения регулирующего органа ЭИМ может комплектоваться механизмом сигнализации положения МСП-1. Выходной сигнал МСП-1 токовый (0...5 мА при со- противлении нагрузки 2,5 кОм и 0.. .20 мА, 4.. .20 мА при сопротивлении нагрузки до 1 кОм). Питание блока МСП-1 составляет 220 В, 50 Гц. Для взрывозащищенного ис- полнения выпускаются блоки сигнализации положения соответственно БСПР-ПВТ6, БСПТ-ПВТ6 и блоки концевых выключателей БСП-ПВТ6. Некоторые МЭО имеют руч- ной маховик для поворота вала редуктора без помощи электродвигателя. В зависимости от климатических условий работы ЭИМ по ГОСТ 15150 имеют различное климатическое исполнение: У2 (-30...+50°C, относительная влажность до 100% без конденсата), УЗ (-10...+50°C, относительная влажность до 95% без конденсата), Т2 (-10...+50°С, относительная влажность до 100% без конденсата), ТЗ(+5...+50°С, относительная влажность до 100% без конденсата) и ряд др. В табл. 1.66 приведены характеристики ЭИМ ОАО «ЗЭиМ». Таблица 1.66. Характеристики ЭИМ ОАО «ЗЭиМ» Тип Потребляемая мощность, Вт Тип электродвигателя Тип командного устройства Габаритные размеры, мм МЭО-6,3/10-0,25-01 46 ДСОР-68-0,25-150'1 ПБР-2М 230x200x185 МЭО-16/63-0,25-01 46 ДСОР-68-0,25-150 ПБР-2М 230x200x185 МЭО-40/10-0.63-99К 95 ДСТР-110-0,6-1362> ПБР-ЗА 235x200x185 МЭО-100/63-0,63-99К 170 ЗДСТР-135-1,6-150" ПБР-ЗА 440x315x305 МЭО-250/63-0.63-99К 250 ЗДСТР-135-4,0-150 ПБР-ЗА 440x315x305 МЭО-630/63-0.63-92КБ 200 АИР-56А4 ПБР-ЗА 445x452x402 МЭО-10/Ю-0,25-ПВТ4-00 ПО ДСТР-116-0,6-136-ПВТ4 ПБР-2М 410x265x305 МЭО-16/Ю-0,25-ПВТ4-00 НО ДСТР-116-1,6-136-ПВТ4 ПБР-2М 410x265x305 МЭО-40/25-0.25-ПВТ4-00 170 ДСТР-116-1,6-136 IIBT4 ПБР-2М 410x265x305 МЭОФ-6,3/10-0,25-02 46 ДСОР-68-0,25-136 ПБР-2М1 245x200x185 МЭОФ-16/63-0,25-02 36 ДСОР-68-0,25-136 ПБР-2М1 245x200x185 МЭОФ-40/160-0,63-02 46 ДСОР-68-0,25-136 ПБР-2М1 245x200x185 МЭОФ-6,3/ 12,5-0,25-ИВТ5-03 60 ДСТР-116-1,0-136 IIBT4 ПБР-ЗА 320x150x210 МЭМ-6,3/63-10-96 6,3 АИР 56В4 ПБР-ЗА 255x150x285 МЭМ-16/63-10-96 16 ПБР-ЗА 255x150x285 МЭМ-63/63-10-ПВТ4-98 6,3 ПБР-ЗА 152x280x500 МЭП-25000/100-50-99 200 Номин. усилие на штоке: 25000 Н; ход штока-50 мм ПБР-2М1 325x330x720 МЭП-20000/240-120-00 200 Номин. усилие на штоке: 20000 Н; ход штока 120 мм ПБР-ЗА 325x330x840 ПЭОЗ-13-1,5-02К+ 100 ДСТР-110-0,6-136 ПБР-ЗА — ПЭОЗ-21-1.5-ПВТ4-02 НО ДСТР 116-0,6-ПВТ4 ПБР-ЗА 375x265x305 ПЭОМ-8/80-0,25-02 10 АИР 63 А6 ПБР-2М — ПЭМ-А7 180 Асинхронный. Настройка номин. крутящего момента 25...70 Н-м; число оборотов 10...45 ПБР-2М 373x332x559 11ДСОР-68 — малогабаритный синхронный двигатель с числом оборотов вала 150 об/мин. 2> ДСТР-110 — малогабаритный синхронный двигатель с числом оборотов вала 136 об/мин. 3> ЗДСТР-135 — малогабаритный синхронный двигатель с числом оборотов вала 150 об/мин. 4> ПЭОЗ-13-1,5-02К: 13 — номинальный крутящий момент, 13Н; 1,5 — скорость вращения вала, 1,5 об/мин.
136 ГЛАВА 1 Рис. 1.98 Рис. 1.99 Рис. 1.100 Рис. 1.101 Пример обозначения электрического исполнительного механизма ЗЭиМ: МЭО-16/10-0.25И-11ВТ4-00-КБ-У2 МЭО — механизм электрический однооборотный; 16 — номинальный крутящий момент на выходном валу, 16 Н-м; 10 — номинальное время полного хода выходного вала, 10 с; 0,25 — номинальный полный ход выходного вала, 0,25 об. (90°); И — индуктивный блок сигнализации положения выходного вала; ПВ — категория взрывоопасности смеси; Т4 — температура воспламенения смеси от 135 до 200 °C; 00 — год разработки, 2000 г.; К — трехфазное напряжение питания; Б — токовый датчик и встроенный блок питания; У2 — климатическое исполнение. Помимо однооборотных механизмов типа МЭО ОАО «ЗЭиМ» выпускает ме- ханизмы однооборотные фланцевые — МЭОФ, многооборотные — МЭМ, прямо- Рис. 1.102
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 137 ходные — МЭП и МЭПК, приводы однооборотные запорные — ПЭОЗ, приводы однооборотные малой мощности — ПЭОМ, приводы многооборотные — ПЭМ. Ме- ханизмы МЭО объединяются с регулирующим органом посредством рычагов и тяг. Механизмы МЭОФ, МЭМ, МЭП и приводы ПЭОЗ, ПЭОМ и ПЭМ устанавливаются непосредственно на трубопроводную арматуру. На рис. 1.98 представлен механизм типа МЭО-6,3, на рис. 1.99 — МЭО-630, на рис. 1.100 — МЭОФ-250/ 63-0.25-ПВТ4-01. На рис. 1.101 показан привод однообо- ротный запорный ПЭОЗ-ОЗК. Помимо ОАО «ЗЭиМ» электрические исполнительные механизмы выпускают- ся рядом предприятий РФ, среди которых МЗТА, ОАО «Тулаэлектропривод», ЗАО «НПП «Автоматика» (г. Владимир), ОАО НПП «Эра» (г. Пенза), ЗАО «Армагус» (г. Гусь-Хрустальный), а также «Днепродзержинский завод электрических исполнитель- ных механизмов» (Украина), «Термо-К» (Беларусь) и др. На рис. 1.102 приведена схема дистанционного управления электропривода ПЭОЗ-ОЗК. 1.10.2 Электропривод с преобразователем частоты Необходимость регулирования скорости вращения механизмов возникает во многих производственных процессах. Это насосы, вентиляторы, конвейеры, подъемно-транспортное оборудование, станки, вытяжные машины, центрифуги, мельницы, экструдеры, буровые механизмы и др. Наибольшее применение в промышленности нашли преобразователи частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Регулирование скорости вращения вала двигателя осуществляется путем изменения частоты и напряжения пи- тания двигателя. Преимуществом такого электропривода является его простота и на- дежность, вызванная отсутствием трущихся частей (коллектора и щеток, характерных для электропривода постоянного тока), механических узлов (характерных для механи- ческих вариаторов скорости) или гидросистем (для гидравлического двигателя). Основными достоинствами регулирования скорости двигателя с помощью пре- образователя частоты являются: • высокая точность поддержания заданной скорости; • мягкий пуск без механических и электрических перегрузок; • регулируемое время ускорения и замедления вращения; • возможность дистанционного управления приводом, в том числе по локаль- ной сети; • экономия электроэнергии (режим энергосбережения); • возможность работы двигателя во взрывоопасной зоне; • увеличение срока службы привода; • снижение эксплутационных затрат и др. Преобразователь частоты состоит из стандартного выпрямителя однофазного или трехфазного напряжения питания, звена постоянного тока (фильтра) и инверто- ра с реализацией алгоритмов скалярного или векторного управления для разомкну- той или замкнутой систем. Как правило, инвертор выполнен на базе силовых тран- зисторных ключей IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором), способных работать при высоких токе и напряжении и высокой частоте коммутации (рис. 1.103). Новые силовые модули IPM (Intelligent Power Modules) в ближайшие годы могут заменить IGBT.
138 ГЛАВА 1 ВЫПРЯМИТЕЛЬ ФИЛЬТР ИНВЕРТОР Рис. 1.103 Принцип работы и устройство преобразователей частоты рассмотрены в работах [1.112-1.117]. К основным техническим характеристикам различных типов частотно- регулируемых электроприводов относятся: • максимальные выходная мощность и ток преобразователя частоты и максималь- ная мощность электродвигателя; • вольт-частотный и (или) векторный способы управления скоростью; • перегрузочная способность преобразователя частоты; • диапазон регулирования частоты (скорости) при управлении с датчиком или без датчика обратной связи; • функция автоматического энергосбережения при работе с насосами и вентиля- торами; • защитные функции преобразователя (защита от короткого замыкания, перегре- ва, холостого хода, обрыва фаз, бросков напряжения и др.); • автоматический рестарт после пропадания сетевого напряжения с возможно- стью «подхвата» частоты вращения; • работа по циклограмме; • способы торможения двигателя (торможение постоянным током с внутренним или внешним тормозным резистором, комбинированное, рекуперативное и скольжением); • наличие встроенных ПИ-, ПИД-регуляторов, последовательных интерфейсов; • характеристики и число входных и выходных сигналов; • программное обеспечение работы электропривода; • многофункциональная панель управления (пульт оператора); • возможность синхронного управления несколькими приводами от одного пре- образователя и ряд др. Как правило, мощность частотного преобразователя выбирается равной (или чуть больше) мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным числом 1500 и 3000 об/мин. При использова- нии др. электродвигателей или в некоторых особых случаях выбор частотного преобразователя должен соответствовать условию, при котором номинальный выходной ток преобразователя должен быть не меньше номинального тока элек- тродвигателя. Для повышения надежности работы преобразователя в его схеме предусмотрены сетевые (входной и выходной) дроссели, фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС-фильтры), соответствующие нормам излучения EN 55011 класса А и В, радио- частотные фильтры и др. аксессуары. Входной дроссель применяется для компенсации высших гармоник из сети в пре- образователь и обратно, а также для защиты конденсаторов промежуточного конту- ра, диодов и тиристоров выпрямителя при бросках тока в сети и нагрузке.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 139 Выходной дроссель используется при длине кабеля между преобразователем и электродвигателем более 50... 100 м. Назначение дросселя— подавление высокоча- стотных гармоник в токе двигателя, вызывающих его дополнительный нагрев. Пре- образователь формирует ток в обмотках двигателя методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по синусоидальному закону. Высокая частота ШИМ гарантирует бесшумную работу электродвигателя. К другим функциям выходного дросселя от- носятся ограничение амплитуды тока короткого замыкания за счет индуктивности дросселя, компенсация емкостного тока в случае длинного кабеля, сглаживание бро- сков напряжения на обмотках двигателя и др. Выбор дросселя зависит от напряже- ния сети, диапазона рабочих частот и максимального тока электродвигателя. Радиочастотные фильтры используются для снижения радиочастотных помех, излучаемых преобразователем в питающую сеть. ЭМС-фильтры снижают излуче- ние силовой части аппаратуры привода до пределов, необходимых в соответствии со стандартом EN 55011 класс А и В. Класс А — длина экранированного силового кабеля до 100 м, класс В — длина кабеля до 20 м. При установке ЭМС-фильтра контролиру- ется ток заземления (утечки), величина которого для преобразователя со встроен- ным или внешним ЭМС-фильтром не должна превышать порядка 30 мА. Выбор преобразователя частоты со скалярным или векторным способом управ- ления определяется требуемой мощностью преобразователя, видом нагрузки и др. требованиями. Традиционно преобразователи частоты со скалярным способом управления применяются для управления электродвигателями небольшой мощно- сти. В большинстве преобразователей частоты предусмотрены как скалярный, так и векторный алгоритмы управления. Принцип скалярного способа управления состоит в том, что скорость вращения магнитного поля статора пропорциональна частоте источника питания f При вольт - частотном способе управления, когда U = F(f), электромагнитный момент зависит от частоты и напряжения питания. В зависимости от вида нагрузки используются раз- личные формы взаимосвязанного управления напряжением и частотой: • при постоянном моменте нагрузки: UJfs = const; • при постоянной мощности: (у /J/= const- В случае вентиляторной нагрузки, когда нагрузка зависит от скорости, - имеем квадратичную зависимость: const. Для реализации принципа скалярного управления следует согласованно управ- лять напряжением (током) статора эдектродвигателя при изменении частоты пита- ния. В режиме скалярного управления используются схемы с датчиком скорост и или без него. Для улучшения качества выходных характеристик в алгоритм скалярного управления без датчика обратной связи введена функция компенсации скольжения, при которой частота тока статора определяется алгебраической суммой заданной и текущей частоты вращения ротора. Также известен алгоритм скалярного управления с контролем потокосцепления ротора (FCC — Flux Current Control), которое поддер- живается постоянным. В переходных режимах, однако, величина потокосцепления не является постоянной, что ухудшает динамические характеристики электроприво- да. Этот недостаток устраняется в электроприводе с системой векторного управле- ния. Системы векторного управления называют также системами с ориентировани- ем поля электродвигателя [1.115]. При использовании режима векторного управления возможно управление с постоянным крутящим моментом на валу (СТ — Constant Torque) или переменным
140 ГЛАВА 1 крутящим моментом (VT — Variable Torque). Управление переходными процессами электродвигателя переменного тока основано на следующих переменных состояния: вектор тока статора Is, вектор тока ротора 1Г, потокосцепление статора потокос- цепление ротора Преобразование сигналов, пропорциональных переменным со- стояния, осуществляется с помощью преобразователя координат. Векторное управление при разомкнутой системе (без датчика обратной связи по скорости) обеспечивает поддержание скорости с точностью порядка + 0,5% и диапа- зон скоростей 1:100. В этом режиме скорость вращения вала может быть рассчитана путем точного измерения формы сигнала и обратной связи по трем выходным фа- зам привода. Векторное управление в замкнутом контуре (с импульсным датчиком скорости) обеспечивает более высокое быстродействие и повышенную точность по скорости (от ± 0,02 до ± 0,001%), а также широкий диапазон скоростей 1:1000. В ка- честве датчика обратной связи используется энкодер, с помощью которого произво- дится расчет и управление углом поворота и скоростью вращения вала электродви- гателя. В случае потери связи с энкодером, привод автоматически переходит в режим векторного управления с разомкнутым контуром. Известны алгоритмы векторного управления с помощью вектора тока (CFC — Current Flux Control) и вектора напря- жения (VFC — Voltage Flux Control). Теоретические основы алгоритмов векторного управления и системы электропривода с векторным управлением приведены в рабо- тах [1.114- 1.117]. Преобразователь частоты имеет функцию энергосбережения, позволяющую экономить от 5 до 60% электроэнергии путем поддержания оптимального КПД. Пре- образователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузки и при необходимости снижает выходное напряжение. При этом снижаются потери на обмотках двигателя и повышается КПД. Функции торможения основаны на подачах в одну из фаз двигателя напряжения постоянного тока (рис. 1.104). Взаимодействие магнитного поля в этой фазе с магнитным полем ротора приводит к быстрой оста- новке двигателя. Существует также режим генератор- ного торможения с подключением внутреннего тор- Рис. 1.104 мозного резистора (до мощности примерно 7,5 кВт) или внешнего (при больших мощностях). На рис. 1.105 приведена схема подключения силовых цепей и цепей управления преобразователя частоты Micromaster 420 фирмы Siemens. Имеется ряд других функций, а именно: • функция встроенного ПИД-регулятора и разнообразных модулей расширения позволяет организовать контроль и управление технологическими параметрами, интегрируя преобразователь частоты в существующие и проектируемые системы управления; • функция многоступенчатого регулирования скорости с переключением электро- привода на ряд фиксированных скоростей; • функция предотвращения опрокидывания ротора или функция ограничения мо- мента при разгоне, торможении и в процессе работы; при разгоне и торможении в случае задания большого ускорения и недостатка мощности двигателя увели- чивается время разгона (торможения); при перегрузке — снижается скорость вращения двигателя;
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 141 1, ОТ 200 В до 240 В от 200 В до 240 В L----------л---------- /х/З, от 380 В до 480 В L1 1 о I Внешний I источник I питания Внешний источник питания L3 PF. Аналоговый вход Входное напряжение от 0 Б до + 10 В DIN2 0В Я : § 10 DIN3 Рис, 1.105 1+ 10 & 0В I Rvar L I >=4,7 кОм | AIN+^ AIN- DINI max 33 В, max 5 mA 08 +24 В(тах 100 mA) RL1-B RL.1-C Выходные контакты реле Xz 250 В, max 2 A (индуктивная нагрузка) = 30B,max5A (омическая нагрузка) AOUT+ AOUT- Аналоговый выход 0 мА- 20 мА Последова- тельный интерфейс RS 485 (RS 232 /'+ N- • функция «подхвата» скорости (частоты) работающего двигателя; в случае пуска преобразователя при вращающейся нагрузке для предотвращения опрокидыва- ния используется функция поиска скорости (функция подхвата работающего двигателя); после определения скорости вращения нагрузки привод начинает ре- гулирование с текущей скорости; • защитные функции электропривода: токовая защита двигателя от перегрузки по току; защита двигателя от перегрева; защита от короткого замыкания; -защита от перенапряжения в звене постоянного тока; защита от замыкания выходных фаз, в том числе на землю; защита от обрыва сетевых фаз; защита от колебаний напряжения (до ± 15%); защита от перегрева выходных каскадов; защита от про-
142 ГЛАВА 1 Рис. 1.106 Рис. 1.107 пуска резонансных частот, могущих привести к механическому резонансу. Интерфейс пользователя преобразователя частоты основан на принципах HMI и реали- зуется с помощью встроенной панели управле- ния, программного обеспечения, сетевых плат и открытых стандартов на промышленные сети. С помощью коммуникационных модулей преобразователь частоты может быть подклю- чен к различным открытым промышленным сетям: Modbus RTU, Modbus Plus, Profibus DP, Device Net, Interbus, Ethernet и др. Пульт управления преобразователя служит для выполнения следующих функций: • настройки параметров преобразователя; • управления включением-отключением, изменения направления вращения; • отображение основных параметров и состояния преобразователя (скорость, ча- стота, величина тока, выходное напряжение, потребляемая мощность и др.); • вывод сообщения об ошибках и диагностических сообщений и др. Для отображения параметров используется встроенный черно-белый или цвет- ной жидкокристаллический дисплей. Имеется возможность подключения выносной ЖК-панели для управления и настройки параметров. Программное обеспечение большинства преобразователей частоты работает под управлением ОС Windows и позволяет выполнить настройку, конфигурирование, диагностику, визуализацию, тестирование и архивирование параметров. Большинство преобразователей имеют степень защиты IP20, однако известны модели со степенью защиты IP54 и IP65. К настоящему времени известно свыше 50 крупных фирм, производящих раз- личные типы преобразователей частоты. В табл. 1.67 приведены основные техниче- ские характеристики преобразователей частоты. На рис. 1.106 приведен общий вид преобразователей частоты Micromaster 440 фирмы Siemens, а на рис. 1.107 преобразо- ватель типа FR-F 700 (до 630 кВт) фирмы Mitsubishi Electric. Помимо перечисленных в табл. 1.67 преобразователи частоты производят фир- мы Yaskawa Electric (Япония), Delta Electronics Inc. (Тайвань), Emetron AB (Швеция), LG Industrial System Co. (Корея), Matsushita Automation Controls (Япония) и др. Таким образом, высокие технические характеристики, простота управления, компактные размеры и низкая стоимость определили широкое применение частотно- регулируемого электропривода в промышленности. 1.10.3 Сервопривод Сервоприводом или сервомеханизмом (от латинского слова servus — слуга) на- зывается устройство с обратной связью, осуществляющее за счет вспомогательного источника механическое перемещение регулирующего органа системы управления в соответствии с сигналами управления [1.118-1.1201- Таким образом, сервосистема воспроизводит на выходе с требуемой точностью входные сигналы (осуществляет высокоточное позиционирование). Отличие сервомеханизма как следящей системы, от классической системы с обрат- ной связью, заключается в том, что сервосистемы обладают свойством усиления мощ-
Таблица 1.67 Технические характеристики преобразователей частоты № п/п Тип (фирма) Напряжение (В), мощность (кВт) Режим управления двигателем Диапазон выходной частоты, Гц Входы Выходы Способ торможе- ния Перегрузочная способность, % Интерфейс Программное обе- спечение 1 ACS-800- 01/02 (АВВ) 3~ (380- 415) 1,5..ЛЮ 3~ (380-500) НО... 500 Прямое регули- рование момента (DTC) 0...300 AI —3 DI-7 АО —2 RO —3 (СК) Торможение по- стоянным током 150 ProfibusDP, Interbus, DeviceNet, CANopen Modbus +, Modbus RTU, Ethernet DriveSize, Drive OPC, DriveAP, Drive Windows 2.0 2 FR-D700 (Mitsubishi Electric) 1- (230) 0,1 - 2,2 кВт 3~ (400) 0,4 - 7,5 кВт Векторное управление 0,5.-400 AJ —2 DI - 5 АО - 1 DO —2 Торможение по- стоянным током 200 RS-485, Modbus RTU VFD Setup 3 FR-A700 (Mitsubishi Electric) 3 -(380-480) 0,4... 630 Векторное управление 0,2.-400 AI —3 DI —12 АО-2 DO —6 Торможение по- стоянным током 120-200 RS-485, Modbus RTU VFD Setup 4 Altivar 31 (Schneider Electric) 1~ (200-240) 0,18...2,2 3- (200-240) 0,18.-15 Вольт-частотное, векторное управ- ление 0...500 AI —3 DI — 6 RO —1 DO —1 (OK) Торможение по- стоянным током 200 ProfibusDP, Modbus RTU, Modbus+, Fipio, Ethernet PowerSuite 5 Altivar 71 (Schneider Electric) 3~(200-240) 0,35...75 3~ (380-500) 0,75.-500 Вольт-частотное и векторное управ- ление 0 ...1000 AI — 4 DI — 20 АО-3 DO —8 RO —4 Торможение по- стоянным током 150 CANopen, Modbus RTU, Modbus Plus, Fipio, ProfibusDP,Ethernet, DeviceNet, Interbus PowerSuite 6 Micromaster 420 (Siemens) 1- (200-240) 0,12..,3 3- (380-480) 0,37.-11 Вольт-частотное и управление с кон- тролем потокосце- пления (FCC) 0...650 AI-1 DI —4 AO —1 RO —1 (CK) Торможение по- стоянным током и комбинированное торможение 150 ProfibusDP, DeviceNet, CANopen, RS-232 Starter, Drive Monitor ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Продолжение табл. 1.67 № п/п Тип (фирма) Напряжение (В), мощность (кВт) Режим управления двигателем Диапазон выходной частоты, Гц Входы Выхода Способ торможе- ния Перегрузочная способность, % Интерфейс Программное обе- спечение 7 Micromaster 440 (Siemens) 1- (200-240) 0.12...3 3~ (380-480) 0,37...200 Вольт-частотное, векторное и управ- ление потокосце- плением (FCC) 0...650 AI —2 DI —6 АО —2 RO-3 (СК) Торможение по- стоянным током, комбинирован- ное, генераторное 150...200 RS-485, ProfibusDP, DeviceNet, CANopen, RS232 Drive Monitor 8 NXS (Vacon Оу) 3- (208-240) 0,37...30 3~ (380-500) 0.75-200 3-(525-690) 2,2...200 Скалярное и век- торное управление 0...7200 AI —2 DI-6 (базовая плата ОРТ—А8) АО-1 DO — 1 (базовая плата ОРТ-А8) Внешний или встроенный тор- мозной резисторы 200 RS232, RS-485, Profibus DP, CANopen, DeviceNet, Ethernet NC1131-3 Engineering, NCLoad, NCDrive 9 F5 General (KEB) 3~ (180-280) 0,37...75 3- (305-500) 0,37...315 Векторное управ- ление 0...1600 AI-2 DI —8 АО —2 RO —2 (СК) DO (ОК)—2 Торможение по- стоянным током 150 ProfibusDP, Interbus, CAN, DeviceNet, KEB- HSP5 COMBIVIS 5 10 VAT2000 (GE Power Controls) 3~ (200-230) 0,4...37 3~ (400-460) 1,7...75 3~ (400-460) 100...450 Вольт-частотное, векторное управ- ление 0...440 (вольт- частотное), 0...120 (вектор- ное) DI —8 R1-2 АО —2 RO — 2 (СК) DO-3 (ОК) Торможение по- стоянным током 120...150 ProfibusDP, RS232/ RS-485 Power DriveAid-1 11 Movidrive MDV (SEW Eurodrive GmbH) 3- (380-500) 1,5...90 Векторное управ- ление 0...400 AI-1 DI —6 RO — 1 (СК) DO —2 (ОК) Торможение по- стоянным током 50 Profibus DP, Interbus, CAN, CANopen, DeviceNet, RS-485 MOVI Tool ГЛАВА 1 £
Окончание табл. 1.67 № п/п Тип (фирма) Напряжение (В), мощность (кВт) Режим управления двигателем Диапазон выходной частоты, Гц Входы Выхода Способ торможе- ния Перегрузочная способность, % Интерфейс Программное обе- спечение 12 VLT 5000 (Danfoss) 3- (200-240) 0,75...37 3~ (380-500) 0,75...400 Вольт-частотное, векторное управ- ление 0...1000 AI-3 DI-8 АО-2 DO-2 (ОК) RO-2 (СК) Торможение по- стоянным током 150 RS-485, ProfibusDP, Interbus, DeviceNet, Modbus +, Modbus RTU, LonWorks VLT Motion Control Tool (MCT 10) 13 Commander SX (Control Techniques) 1~ (200 -240) 0,25...2,2 3- (200-240) 0,75...7,5 3- (380-480) 0,75...37 Вольт-частотное, векторное управ- ление 0...1000 AI —2(3) DI — 4(6) АО-1 RO - 1 (СК) DO- 1(2) (ОК) Торможение по стоянным током 150 RS-485, ProfibusDP, Interbus, DeviceNet, CANopen CT Soft 14 VFD-V (Delta Electronics Inc.) 3~ 380 (0,75...75) Вольт-частотное, векторное 0...600 AI —3 DI —8 АО —1 DO —2 RO-2 Торможение по- стоянным током 150...200 RS-485 VFD Com- munication Program 15 Varispeed F7 (Yaskawa Electric Corp.) 3- (380-400) (0,4... 160) Вольт-частотное, векторное 0...400 AI-1 DI-7 АО - I RO-3 Торможение по- стоянным током 150 RS-485, ProfibusDP, Interbus, DeviceNet, CANopen Custom Application Software Environment (CASE) 16 Starvert iH (LG Industrial Systems) 3- (220-230) 30... 55 3- (380-460) 30...220 Вольт-частотное, векторное управ- ление 0,5...400 A/D —6 (програм- мируют- ся) АО-1 DI —3, RO-2 Торможение по- стоянным током 150 RS-485, DeviceNet, F-Net. Profibus DP, Modbus-RTU Driveview 2.0 ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ СП
146 ГЛАВА 1 ности за счет использования энергии вспомогательного источника. В состав сервопри- вода входят сервоусилитель, серводвигатель и датчик обратной связи. Таким образом, сервомеханизм представляет собой звенья замкнутой динамической системы автома- тического регулирования с обратной связью. Сервопривод осуществляет высокоточ- ное отслеживание входного сигнала в зависимости от изменения которого происходит перемещение регулирующего органа системы управления. В качестве задающего сиг- нала может быть, например, угол поворота командного вала, угловая скорость команд- ного вала или напряжение потенциометра. Сигнал рассогласования в этих случаях уси- ливается и прилагается к одной из обмоток возбуждения серводвигателя, управляемый вал которого поворачивается до положения, когда рассогласование не станет равным нулю. При этом за счет инерционности и запаздывания может наблюдаться колеба- тельный процесс установления выходной величины. Поэтому оптимальная настройка выходного параметра достигается за счет настройки таких величин, как коэффициент усиления, чувствительность, запаздывание, демпфирование и др. В качестве силового привода сервосистемы используются обычно электродвига- тели переменного (постоянного) тока, гидро- или пневмосистемы. Динамические характеристики сервопривода в составе следящей системы долж- ны согласовываться с динамическими характеристиками других звеньев системы. Основные требования, предъявляемые к сервоприводу, призваны обеспечить не- обходимые показатели качества и прежде всего быстродействие и точность позицио- нирования. Поскольку сервопривод должен воспроизводить управляющие сигналы с высокой точностью без искажений, особое внимание при проектировании или выбо- ре сервопривода уделяется не только статическим и динамическим характеристикам сервопривода, но и характеристикам объекта управления и промежуточных звеньев системы. Помимо быстродействия и точности к характеристикам сервопривода относят мощность серводвигателя, номинальный крутящий момент, скорость вращения и момент инерции. Быстродействием сервопривода называется время перехода сервопривода из одного установившегося состояния в другое при подаче на вход системы единичного ступенчатого воздействия. Точность сервопривода определяется ошибкой установления сервоприводом но- вого состояния равновесия. На показатель точности влияют автоколебания в систе- ме, наличие люфтов, трения и пр. Таблица 1.68. Характеристики сервоприводов фирмы Mitsubishi Electric Тип сервопривода Тип серводвигателя Мощность сервод- вигателя, кВт Номинальный вращаю- щий момент, Н’М Скорость вращения, об/мин MR-J3 Mitsubishi Electric HF-SP HF-KP 0,5...7 0,05...0,75 2,4...33,4 0,16...24 2000/3000 3000/6000 MR-J3 Mitsubishi Electric HC-SFS HF-RFS HC-KFS 0,5...7 1,0...5 0,05...0,75 2,4...33,4 3,18... 15,9 0,16...2,4 2000/2500 3000/4500 3000/4500 Мощность серводвигателя — это предельная выходная мощность, развиваемая сервоприводом, находящимся под номинальной нагрузкой. Под номинальной на- грузкой понимается момент (усилие), развиваемое сервоприводом, работающим с максимальной полезной мощностью.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 147 Коэффициент полезного действия сер- вопривода есть отношение максимальной полезной мощности, развиваемой на выходе серводвигателя, к потребляемой мощности от сети. Помимо этих основных характеристик при исследовании сервопривода использу- ются и ряд др. характеристик, свойственных замкнутым системам автоматического ре- гулирования. К ним относятся постоянная времени сервопривода, время запаздывания, время установления номинальной скорости и др., а также конструктивные характеристи- ки, определяемые габаритами и массой сер- Рис. 1.108 вопривода. В табл. 1.68 приведены технические характеристики сервоприводов фирмы Mitsubishi Electric. Сервоприводы применяются для точного позиционирования за- датчиков систем управления, в следящих системах, системах перемещения исполни- тельных устройств в станках ЧПУ и в др. устройствах. На рис. 1.108 приведен общий вид сервоприводов MELSERVO MR-J2S фирмы Mitsubishi Electric. 1.10.4 Шаговые двигатели и устройства управления Шаговые двигатели (ШД) широко используются для управления станками с ЧПХ в качестве маломощных приводов роботов и манипуляторов, для приборов управле- ния позиционированием, в приборах телемеханики и вычислительной техники. Шаговые двигатели работают в комплекте с контроллерами, выполняющими функции логических устройств и электронных коммутаторов. Функциональная схе- ма ШД приведена на рис. 1.109. Формирователь импульсов (ФИ) преобразует входные импульсы произволь- ной формы в прямоугольные импульсы определенной длительности. Электронный коммутатор (ЭК) преобразует импульсы в напряжение, подаваемое через усилитель мощности (УМ) на обмотки статора ШД. Шаговый двигатель состоит из зубчатых статора и ротора, сердечники которых выполнены из магнитомягкой стали. При возбуждении соответствующей фазы ШД постоянным током его ротор поворачивается на фиксированный угол, называемый углом шага или шагом. Величина шага различна для различных моделей ШД. Таким образом, в ШД цифровой сигнал преобразуется в механическое перемещение ротора ШД [1.121]. Шаговые двигатели имеют ряд достоинств, а именно: • отсутствует обратная связь, необходимая для управления положением вала в электроприводах; • удобство управления с помощью цифровых систем управления; • высокая точность частоты вращения (положения вала ротора). Рис. 1.109
148 ГЛАВА I За каждый импульс ШД поворачивается на фиксированный угол. Чем меньше шаг, тем больше частота вращения. Число шагов за один оборот вала называется ша- говым числом. Шаговое число S=360/a, где а — угол шага двигателя. Применяются 3- и 4-фазные двигатели с величиной шага 1,8°; 2°; 2,5°; 5°; 7,5°; 15 °. Известны ШД с шаговым углом 0,72 °. Обычно 4-фазные ШД имеют шаговое чис- ло 200. Кроме того, используются ШД с постоянными магнитами. Частота вращения ШД (шаговая частота вращения) задается числом шагов в секунду и может обозна- чаться в Гц. Различают однополярное управление, при котором напряжение на каждой фазе изменяется от 0 до + U и двухполярное управление — напряжение изменяется от -U до +U. Кроме того, управление ШД называется импульсным, когда напряжение на фазу или группу фаз подается в момент поступления сигнала, а по истечении опреде- ленного времени фаза обесточивается. Зубцы ротора такого ШД устанавливаются по оси зубцов статора за счет реактивного момента. Другой способ управления назы- вается потенциальным управлением, при котором напряжение на фазе (группе фаз) сохраняется неизменным вплоть до прихода управляющего импульса. Положение ротора при этом фиксируется магнитным полем фазы, находящейся под напряже- нием [1.120]. Напряжение, приложенное к фазе ШД, определяется уравнением 17ф = гф.Гф + <ДКф/Л, где гф и /ф — активное сопротивление и ток фазы; 'Рф — потокосцепление фазы (за- висит от конструкции ШД и способа коммутации обмоток статора). Режимы работы ШД подразделяют на статический, квазистатический, резонанс- ный и установившийся режимы. В статическом режиме (/имп = 0) по статорным обмоткам протекает постоянный ток, создающий неподвижное поле статора, при котором ротор ШД неподвижен. В квазистатическом режиме при низких частотах (/"имп <f0) ШД работает в режиме отработки единичных импульсов. Переходные процессы, характеризующиеся перио- дом собственных колебаний ротора при отсутствии нагрузки на валу Т0=1//0=2л/а>0, где/, — частота собственных колебаний ротора, угловая частота которых ш0 зависит от момента инерции ротора, числа пар полюсов и статического момента. Все пере- ходные процессы затухают к началу каждого следующего шага, а положение ротора устойчивое. Резонансный режим (/имп =/0) является неустойчивым. Для снижения колебаний ротора в области резонансных частот применяется его торможение за счет встречной коммутации фаз ШД. Установившийся режим > Jo) характеризуется установившейся средней ча- стотой вращения ротора. Помимо этих режимов работа ШД характеризуется пере- ходными режимами (пуск, торможение, реверс). Для каждого типа ШД существует предельная частота коммутации или часто- та приемистости (fnp), которая для современных ШД находится в пределах от 100 до 1000 Гц. Согласно классификации ШД делятся на реактивные, с постоянными магнитами и гибридные [1.121]. Реактивные ШД. Принцип работы ШД приведен на рис. 1.110. Статор этого трех- фазного ШД имеет 6 зубцов. Каждые два противоположных зубца, отстоящие друг
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 149 от друга на 180 °, образуют фазу. Катуш- ки каждой фазы могут быть соединены последовательно или параллельно. Когда фаза возбуждена (замкнут один из пере- ключателей S2 или 83), в зубцах фазы возникает вращающий момент, приводя- щий к тому, что зубцы ротора (в данном случае их 4) устанавливаются на одной прямой с возбужденными зубцами ста- тора. Это положение называется положе- нием равновесия, когда магнитное сопро- тивление является минимальным. При этом зубцы I, II и III в возбужденном со- стоянии представляют северный полюс, а Г, 1Г и ПГ — южный. Если отключить фазу I и возбудить фазу II, то возникнет магнитный поток, создающий «натяже- Рис. 1.110 ние» магнитных силовых линий. В резуль- тате этого магнитное сопротивление увеличивается и под действием возникшего вращающего момента ротор повернется на угол 30 °. После выполнения ротором трех шагов он вернется в исходное положение. Помимо величины шага в градусах к основным параметрам ШД относятся: • Максимальный статический (удерживающий) момент в Н-м. Это момент, кото- рый может быть приложен к валу возбужденного ШД без последующего его вра- щения. • Фиксирующий момент — максимальный статический момент, приложенный к валу невозбужденного ШД без его последующего вращения (Н-м) для ШД с по- стоянными магнитами. • Точность позиционирования (погрешностьуглового шага) в градусахили процент от полного оборота (ошибка для реактивного ШД с шагом 15° составляет около ±0,1 °). • Отношение крутящего момента (г-см) к моменту инерции ротора (кг-м2); это от- ношение должно быть большим, чтобы при подаче входного импульса ротор ШД смог повернуться с максимальным ускорением, а при прекращении последова- тельности импульсов — остановиться в положении, определяемым последним импульсом. • Шаговая частота вращения (число шагов в секунду) и частота импульсов, выра- женные в Гц. Для перехода к частоте вращения п в об/мин используется формула: n = 60fl S, где f— шаговая частота вращения, 8 — число шагов. • Ток фазы (А), сопротивление фазы (Ом), индуктивность фазы (мГн), напряжение питания (В). Эти данные определяются типом ШД и приводятся в характеристи- ках ШД. Для реактивных ШД в целях увеличения крутящего момента, высокой точности позиционирования и уменьшения габаритов воздушный зазор между статором и ро- тором должен быть минимальным (обычно он находится в пределах 30... 100 мкм). Также желательно иметь малый угол шага, что достигается увеличением числа зубцов статора и ротора. Известны четырехфазные ШД с числом зубцов ротора равным 50 и числом шагов 200.
150 ГЛАВА 1 Фаза 4 ФазаЗ Рис. 1.111 Число шагов S в зависимости от числа фаз т и числа зубцов ротора Np определя- ется формулой: S = m-Np. Число шагов S при известном угловом шаге Qs определяется значением: S = 360 / Q5. Помимо рассмотренных однопакетных реактивных ШД, в которых фазы выпол- нены з виде одного слоя (пакета), применяются многопакетные реактивные ШД. Шаговые двигатели с постоянными магнитами. В этих I—I ШД ротор представляет собой цилиндрический постоянный + £ / \ Фаза2 магнит, а статор имеет 4 зубца с обмотками — фазы 1...4 (рис. 1.111). При возбуждении фаз в последовательности 1 -2-3-4 ро- тор будет поворачиваться по часовой стрелке с угловым шагом 90°. При удвоении числа зубцов статора угол шага будет 45°. Поскольку намагниченность постоянных магнитов невы- сокая, крутящий момент ШД с постоянными магнитами огра- ничен. Гибридные ШД. В ЩД этого типа используются принципы как реактивного, так и ШД с постоянными магнитами. В 4-фазном гибридном ШД на полюсе статора рас- полагаются не одна обмотка фазы, а две обмотки двух различных фаз, намотанных по бифилярной схеме. При возбуждении катушки создают магнитные потоки различ- ной полярности. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, на каждый из полюсов которого надет сердечник ротора с зубцами. Крутящий момент создается за счет взаимодействия магнитных полей катушек и постоянного магни- та ротора. Гибридные ШД применяются там, где требуется малый угловой шаг. Наи- большее применение находят 4-фазные гибридные ШД с числом шагов 200 и углом шага 1,8°. В работе [1-121] приведены примеры др. типов гибридных ШД — гибрид- ные ШД с постоянным магнитом в статоре, ШД с внешним ротором и др. Основные характеристики шаговых двигателей приведены в табл. 1.69. Таблица 1.69. Характеристики шаговых двигателей Тип Рабочий ток (фаза), А Сопротивление (фаза), Ом Индуктивность (фаза), мГн Крутящий момент, кгссм Гибридные шаговые двигатели с угловым шагом 1,8° FL20STH30 0,6 6,5 1,7 0,18 FL39ST20 0,5 13 7,5 0,8 FL57STH41 2,8 0,7 1,4 5,5 FL110STH201 8 0,5 11 300 ДШР60-0,1-1,8 2 0,66 1,3 0,3...16Н'М Шаговые двигатели с постоянными магнитами с угловым шагом 7,5° РМ 2515-01 0,5 10 2,7 0,11 РМ 3522-01 0,5 60 77,5 0,55 РМ4222-02 1,27 15 49,8 1,1 1.10.5 Энкодеры Энкодером называется устройство для преобразования углового или линей- ного перемещения в цифровой код (двоичный, код Грея и др.). Принцип действия энкодеров заключается в фотоэлектронном сканировании оптических кодов. Для контроля угловых перемещений в датчиках скорости вращения, ускорения, положения, углов и пр. используются угловые или поворотные кодирующие устрой- ства, для контроля перемещений — линейные.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 151 По способу преобразования энкодеры делятся на инкрементные и абсолютные энкодеры. Инкрементные энкодеры (энкодеры приращений) определяют прираще- ние относительно начального фиксированного (базового) положения. Абсолютные энкодеры формируют выходной сигнал, определяющий абсолютную величину угло- вого или линейного перемещения. Как инкрементные, так и абсолютные энкодеры могут быть одно- или многообо- ротными. Принцип действия инкрементного энкодера заключается в формировании с по- мощью источника света (инфракрасных светодиодов) световых потоков, проходя- щих через защитную диафрагму и поступающих на фотодиодную матрицу и далее к микропроцессору (рис. 1.112). В зависимости от угла поворота на выходе формирует- ся код, соответствующий определенной позиции вала энкодера. Число импульсов за один оборот вала для различных типов энкодеров достигает от 2048 до 10000. Число импульсов, соответствующих углу поворота вала, подсчитывается счетчиком. Точ- ность измерения угла поворота составляет несколько тысячных градуса, а при из- мерении линейных смещений — доли миллиметра. Абсолютные энкодеры формируют уникальный код для каждой позиции вала. При этом счетчик импульсов не требуется, так как угол поворота вала определен в каждый момент времени. Диск абсолютного энкодера имеет несколько концентриче- ских дорожек, каждая из которых формирует уникальный цифровой код для каждой позиции вала. Абсолютный энкодер сохраняет значение сигнала при потере питания, устойчив к вибрациям и практически не подвержен помехам. Однооборотный (single-turn) энкодер выдает абсолютное значение параметра в пределах одного оборота. После каждого оборота значение кода возобновляется с его начального значения. Многооборотный (multi-tum) энкодер (рис. 1.113) имеет встроенный переда- точный механизм (редуктор) из нескольких кодовых оптических дисков и способен фиксировать не только угол поворота, но и число оборотов вала. Многооборотные энкодеры способны фиксировать до 4096 оборотов вала. Для определения направления вращения вала энкодера по часовой стрелке (CW) или против часовой стрелки (CCW) используются два выходных канала (А и В). Для определения точностных характеристик энкодера рассматривается разреше- ние энкодера — число выходных импульсов за оборот вала и количество двоичных слов за оборот вала (для абсолютных энкодеров). Рис. 1.112 Рис. 1.113
152 ГЛАВА 1 Для линейных перемещений используются энкодеры на диапазон измерений от 30.. .40 мм до 1700 мм и более. Разрешение при этом составляет 0,1 мм и менее. В ка- честве выходных интерфейсов широко используются RS-422, Profibus и CANopen. У большинства энкодеров степень защиты не хуже 1Р65 и IP67. Энкодеры выпускаются многими фирмами, среди которых Omron, SICK, Siemens, Lenie&Linde, Fagor и др. В табл. 1.70 приведены характеристики энкодеров фирмы Lenie&Linde (Швеция). Таблица 1.70. Характеристики энкодеров фирмы Lenie&Linde (Швеция) Тип энкодера1 Кол-во имп./об Диапазон частоты, кГц Тип выхода Питание, VDC Потребляемый ток (максим.), мА Диаметр корпуса, мм RS310 25...1200 0...200 TTL 5/9...30 70 30 RS510 1...2500 0...100 TTL 5/9...35 55 58 RS560 1...5000 0...200 TTL, RS422 5/9... 30 45 68 DUO 525 5000 0...200 TTL, 2XRS422 5/9...30 90 68 ХН860 2048 0...100 HTL 5/9...30 60 100 TACHO 10 бит на 360° - 4...20 мА 9...36 60 89 1 Степень защиты по IEC 529 для RS 310 составляет IP67, для остальных — IP65. Допустимая вибрация <100 м/с2 (50...2000 Гц), ударопрочность <1000 м/с2, температура окружающей среды -25...+75°С. Новая линейка энкодеров фирмы Lenie&Linde имеет расширенный температур- ный диапазон до +100 °C (RSI504, RHI504), рабочая температура энкодеров серии 500 Рис. 1.114 составляет -40...+70°C, вибрации до 300 м/с2. Энко- деры фирмы Lenie&Linde Profibus DP и CANopen по- вышенной точности (8192 дискрета) способны кон- тролировать до 4096 оборотов. Серия энкодеров 800 предназначена для эксплуатации в тяжелых условиях производства. На рис. 1.114 приведен общий вид эн- кодеров фирмы Lenie&Linde. 1.10.6 Пневматические исполнительные механизмы Пневматические исполнительные механизмы (ПИМ) наиболее эффективно ра- ботают в пожаро- и взрывоопасных производствах, в условиях агрессивных сред, характеризующихся наличием повышенной температуры, радиации, вибрации, маг- нитных полей и пр. Пневматические устройства просты по конструкции, надежны в эксплуатации и обслуживании. Как правило, пневматические системы дешевле электрических и гидравлических систем, а по сравнению с последними не требуют замкнутого цикла использования рабочей среды. Наряду с перечисленными достоинствами пневматические системы имеют и ряд недостатков, обусловленных самой рабочей средой. Это прежде всего сжимаемость воздуха, которая подчас исключает плавность движения рабочих органов исполни- тельных устройств, а также необходимость очистки воздуха во избежание появления конденсата. Кроме того, пневматические устройства, по сравнению с электрически- ми, имеют меньшую скорость срабатывания, а по сравнению с гидравлическими ис- полнительными механизмами развивают значительно меньшие усилия. Существуют определенные ограничения на длину трассы от регулятора до ПИМ во избежание больших запаздываний (примерно до 300 м). Устройства пневмоавтоматики можно классифицировать по функциональному назначению (системы подготовки и транспортирования воздуха, датчики, преобра-
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 153 зователи, измерительные и регистрирующие приборы, регуляторы, функциональ- ные блоки, исполнительные устройства) и по давлению питания (системы низкого, нормального и повышенного давления). К исполнительным устройствам относятся пневмоцилиндры, поворотные однооборотные и многооборотные двигатели, мем- бранные, шланговые и сильфонные исполнительные механизмы [1.122-1.132]. Системы с повышенным давлением питания представляют собой пневмопривод и предназначены для силового воздействия на рабочие органы машин. В качестве управляющих устройств в таких системах в основном применяются клапанные или золотниковые распределители, а в качестве двигателей — пневмоцилиндры поступа- тельного действия, поворотные и многоборотные двигатели. В зависимости от типа привода ПИМ делят на мембранные и поршневые ис- полнительные механизмы. Мембранный исполнительный механизм в качестве пре- образователя давления сжатого воздуха в перемещение штока и связанного с ним РО использует герметичную мембранную камеру с мембраной из резинотканевого материала. На мембрану действуют сила давления от командного прибора, с одной стороны, и сила противодействия возвратной пружины, с другой стороны. Условие равновесия этих сил выражается равенством ДР-Рэф = с5, где: ДР — разность давлений на мембране; Рэф — эффективная площадь мембраны; с — жесткость пружины; S — величина хода мембраны. Мембранные исполнительные механизмы представляют собой механизмы пря- мого действия (движение штока вниз) и обратного действия. При этом в зависимости от конструкции РО обеспечивается исполнение механизма НО (нормально открыт) или НЗ (нормально закрыт). Статические характеристики мембранных исполнительных механизмов близ- ки к линейным, однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей до 10. ..15% от наибольшего значения командного сигнала. Для уменьшения зоны гистерезиса мембранные исполнительные механизмы комплектуются позиционером, который представляет собой усилитель с обратной связью по положению штока. Управляю- щий сигнал поступает в область мембраны позиционера, перемещение которой че- рез золотник регулирует расход и давление воздуха, поступающего к мембранной камере мембранного исполнительного механизма. Перемещение основной мембра- ны ИМ через толкатель и пружину отрицательной обратной связи уравновешивают силу, действующую на мембрану позиционера. Позиционер обеспечивает точность позиционирования около 0,5% от диапазона регулирования. Для надежной работы позиционера необходимо стабилизировать давление воздуха, поступающего к пози- ционеру, и обеспечить его фильтрацию. Поршневые исполнительные механизмы применяются в тех случаях, когда от ИМ необходимо получить перемещение РО на значительное расстояние. Поршне- вые исполнительные механизмы имеют зону нечувствительности не более 1%. Си- ловая часть пневмопривода содержит пневмоцилиндр, шток которого соединен с РО. При цикловом управлении приводом происходит перемещение исполнительно- го механизма из одной крайней точки в другую. Для контроля положения поршня пневмоцилиндра в настоящее время вместо концевых выключателей используется магнитный датчик, устанавливаемый непосредственно на корпусе пневмоцилиндра, и магнит, устанавленный в поршне [1.133,1.134].
154 ГЛАВА 1 ^^1 В настоящее время ряд зарубежных фирм, таких как FESTO (Германия), SMS (Япония), ENOTS (Англия), SAMSON (Герма- ЩЯ ния), HI-FLEX (Финляндия), ASCO/Joucoma—Tic (Нидерланды), 1 I PARKER, CAMOZZI и др., имеющие свои представительства во многих развитых странах, сосредоточили в своих руках разра- ф ботку и выпуск оборудования пневмоприводов, управляемых от ! " ПЭВМ и контроллеров. В этих фирмах налажен массовый выпуск основных компонентов силовых пневмосистем, в состав которых входят технические средства подготовки сжатого воздуха, пневмо- Чг распределители, пневмоцилиндры и контрольно-измерительная аппаратура. Фирма SAMSON выпускает большую серию регулирующих клапанов (проходных, трехходовых, угловых), пневматические и электропневматические позиционеры, электропневматические и пневмоэлектри- ческие преобразователи, датчики положения, концевые выключатели и пр. К числу выпускаемых цифровых позиционеров относятся HART-позиционер, PROFIBUS-PA- позиционер и FOUNDATION Fieldbus-позиционер. На рис. 1.115 представлен общий вид клапана с электропневматическим позиционером 3730-2 фирмы Samson. Среди отечественных производителей отметим ПНФ «ЛГ автоматика», которая выпускает отсечные (запорные), регулирующе-отсечные и клеточные регулирующие клапаны с Ду от 10 до 200 мм и условной пропускной способностью от 0,06 до 630 м3/ч на услов- ное давление от 1,6 до 16 МПа (марки КМР, КМО, КМРО), футерованные клапаны для агрессивных сред (УИФ, МИУФ), клапаны высокого давления до 40 МПа (КВДР, КВДО), виброустойчивые угловые клапаны, регулирующие клапаны для малых рас- ходов (ПОУ-7М, -8М, - 9М) и др. Для взрывоопасных производств клапаны комплектуются позиционерами SIPART PS2 фирмы Siemens. На рис. 1.116 показан клапан ПОУ-8М с позиционером SIPART PS2. Характеристики пневмоприводов находятся в пределах: диаметр поршня 0,008...0,5 м, величина перемещения штока с поршнем до 3 м, давление питания в пределах 0,4... 1,0 МПа (в отдельных случаях до 10 МПа), скорость перемещения до 3 м/с, число циклов доходит до 10 млн. В настоящее время ввиду достижения высоких показателей надежности и безо- пасности исполнительные устройства пневмоавтоматики находят широкое приме- нение при создании промышленных роботов, управляемых программируемыми ло- гическими контроллерами с помощью электропневматических преобразователей. Как в России, так и за рубежом ряд фирм США, Франции, Японии, Италии, Швеции и др. стран выпускают гамму ро- ботов с пневмоприводом для обрабатывающих и сборочных производств. Это роботы РМ-12 фирмы KIKA, MNU 500 фир- мы BOSH (Германия), UNIMATE фирмы KAWASAKI (Япония), Е-401 фирмы VERSATRAN (Япония), AUTOPLACE фирмы AUTO-PLACE (США), MECMAN (Франция) и др. Современные сборочные роботы имеют цифровой пневмопривод и систему управления, обеспечивающую связь рабочего цикла сборочно- го робота с циклом работы обслуживаемого технологического Рис. 1.116
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 155 оборудования. Такие роботы успешно применяются в гибких производственных си- стемах (ГПС) сборочных машиностроительных производств [1.128-1.132] и наряду с другим оборудованием входят в интегрированные производственные системы, управляемые с помощью ЭВМ. Это основное направление, в котором совместно с электро- и гидроприводом будут совершенствоваться и применяться пневматиче- ские системы управления. 1.10.7 Гидравлические исполнительные механизмы Гидравлические исполнительные механизмы или гидропривод имеют перед пнев- матическими исполнительными механизмами ряд преимуществ, к которым следует отнести более высокую мощность и быстродействие, малую удельную массу (масса гидропривода, отнесенная к передаваемой мощности, кг/кВт), защиту от перегрузок и большую надежность. Основным недостатком гидроприводов является их пожа- роопасность, большие затраты на рабочую жидкость (масло), чувствительность к за- грязнению рабочей жидкости и снижение КПД по мере износа движущихся частей. Поэтому гидроприводы не используются в пожаро- и взрывоопасных производствах, в частности в химической и нефтеперерабатывающей промышленности [1.135-1.142]. Гидроприводом называют совокупность гидромашин, гидроаппаратуры, трубо- проводов и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости. К числу гидромашин относятся насосы (в данной работе не рассматриваются) и гидродвигатели. Гидродвигатели подразделяются на гидродвигатели поступатель- ного движения на базе поршневых устройств (гидроцилиндров), гидродвигатели ограниченного поворота выходного звена (применяются в промышленных робо- тах) и гидромоторы или гидродвигатели с непрерывным вращением выходного зве- на (применяются в подъемных и поворотных устройствах). Поршневые исполни- тельные механизмы подразделяются на механизмы одностороннего и двусторонне- го действия (рис. 1.117). Рис. 1.117 В гидроцилиндрах одностороннего действия жидкость под давлением от насоса поступает к цилиндру 1 с одной стороны поршня 2 со штоком 3, а в гидроцилиндрах двустороннего действия — с двух сторон. При анализе гидравлических САР приня- то рассматривать гидравлический исполнительный механизм как единую систему, включающую управляющие устройства и соединительные трубопроводы. В качестве управляющих устройств используются золотниковые преобразователи, преобразо- ватели типа «сопло-заслонка» и др. При этом входной величиной системы является перемещение подвижных элементов управляющего устройства (плунжера золотника или заслонки), а выходной — перемещение штока исполнительного механизма. Характеристики гидроцилиндров: диаметр поршня составляет 80, 120 и 150 мм, максимальный ход поршня 250...300 мм, время перемещения поршня до 25 с.
156 ГЛАВА 1 Гидроаппаратура — это дроссели, клапаны и гидрораспределители, служащие для управления гидроприводом. Дросселем называется устройство, регулирующее расход рабочей жидкости в зависимости от перепада давления до и после дроссе- ля. Клапаны представляют собой устройства, изменяющие под действием потока рабочей жидкости проходное сечение клапана. По назначению клапаны делятся на напорные и редукционные (для стабилизации давления рабочей жидкости неза- висимо от расхода), проходные (для сбрасывания излишнего давления жидкости), обратные (для движения жидкости только в одном направлении). Гидрораспределители служат для изменения направления движения потоков ра- бочей жидкости. В основном применяются золотниковые гидрораспределители. К вспомогательным устройствам относятся устройства, служащие для фильтра- ции и нагрева/охлаждения рабочей жидкости. Также к вспомогательным устрой- ствам относятся гидробаки. В промышленности получил применение регулируемый гидропривод, в котором скорость выходного звена может изменяться по заданному закону. Для этого исполь- зуются два вида регулирования — дроссельное и объемное. При дроссельном регу- лировании скорость выходного звена изменяется дросселированием потока рабочей жидкости с отводом части потока через дроссель или клапан, минуя гидродвигатель. При объемном регулировании скорость выходного звена изменяется за счет измене- ния рабочего объема гидродвигателя. Принцип наиболее часто используемого дроссельного регулирования заклю- чается в том, что часть жидкости от насоса отводится через дроссель или клапан на слив, минуя гидродвигатель. Схемы гидроприводов с дроссельным управлени- ем приведены на рис. 1.118 [1.141]. На рисунке обозначены гидродвигатель 1, ги- дрораспределитель 2, дроссель 3, переливной клапан 4, нерегулируемый насос 5. Дроссель может быть установлен на входе в гидродвигатель (рис. 1.118, а), на вы- ходе (рис. 1.118, б) или одновременно на входе и выходе (рис. 1.118, в). При пол- ном открытии дросселя скорость поршня гидроцилиндра максимальная. По мере уменьшения открытия дросселя давление перед ним повышается, клапан 4 приот- крывается и часть жидкости от нерегулируемого насоса 5 идет на слив. При полном закрытии дросселя скорость поршня становится равной нулю, а вся жидкость от насоса идет через клапан на слив в бак.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 157 Связующим звеном между электронной схемой управления, получившей наи- большее применение ввиду более высокой точности, быстродействия, многоканаль- ное™, и гидродвигателями являются электрогидравлические усилители (преобразо- ватели). К их числу относятся: • электромеханические преобразователи (с перемещающейся катушкой или пере- мещающимся якорем) электромагнитного типа. Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током управления, с подвижным якорем, помещенным в магнитное поле. • однокаскадные усилители мощности, к которым относятся усилитель мощности типа сопло-заслонка, струйная трубка, клапанного типа (шариковые, конусные и тарельчатые клапана) и золотникового типа (2-, 3- и многопозиционные золотни- ки с числом каналов управления от 2 до 5). • двухкаскадные усилители мощности. В качестве 1 -го каскада обычно использу- ется сопло-заслонка, а в качестве 2-го каскада — золотниковый усилитель мощ- ности. Выпускаются также усилители без обратной связи, с обратной связью по положению, с обратной связью по расходу и с обратной связью по давлению. • пропорциональные усилители мощности — используются в гидромашинах со сложными циклограммами движений. Гидролинии, используемые в гидроприводах, делят на всасывающие (рабочая жидкость движется к насосу), напорные (рабочая жидкость под давлением движется от насоса), сливные (рабочая жидкость движется в сливной гидробак). Среди гидро- баков используются в основном гидробаки открытого типа. В качестве рабочей жидкости в гидроприводах используется рабочая жидкость минерального происхождения: трансформаторное, веретенное или индустриаль- ное масло с вязкостью 10...40 сСт при температуре до 50°C. При более высоких температурах используются синтетические жидкости на кремни йорганической основе. 1.11. Приборы учета энергоносителей К приборам учета энергоносителей относят средства учета тепловой энергии (тепловычислители и теплосчетчики), электрической энергии и мощности (электро- счетчики и сумматоры энергии), расхода технических газов и газовых конденсатов, счетчики воды [1.143-1.149]. 1.11.1 Теплосчетчики Теплосчетчики предназначены для измерения и регулирования параметров те- пловой энергии и теплоносителя в закры тых и открытых (водяных и паровых) систе- мах теплоснабжения. Теплосчетчики применяются для коммерческого учета тепло- вой энергии и массы теплоносителя при расчетах между потребителем и теплоснаб- жающей организацией. Принцип работы теплосчетчика состоит в измерении расхода, температуры и давления теплоносителя (воды или пара) в системах теплоснабжения с последующим расчетом по этим параметрам тепловой энергии и массы теплоносителя. Теплосчетчики способны обеспечивать измерение и регистрацию параметров теплоносителя по 1...8 трубопроводам, а также передачу данных о текущих или усредненных среднечасовых, среднесуточных и других параметрах по интерфейсам RS-232, RS-485, CAN.
158 ГЛАВА 1 Расчет основных параметров энергоносителя осуществляется с помощью тепло- вычислителей, являющихся составной частью теплосчетчиков. Тепловычислители рассчитаны на прием сигналов от датчиков расхода, давления, перепада давлений, температуры, градиента температур. Входными сигналами датчиков могут быть то- ковые сигналы (0...5 мА, 0/4...20 мА), сигналы напряжения (0,4...2 В.), частотные сигналы (0... 1000 Гц), изменение сопротивления термометров сопротивления с НСХ 50М, 50П, 100М, 100П, 500П, PtlOO, Pt500. В состав теплосчетчиков, выпускаемых фирмами РФ, входят отечественные преобразователи расхода серии ВЗЛЕТ, ПРЭМ, СУР, ВСТ и др., преобразовате- ли температуры ТСПУ-205, Метран-205, КТСПР, КТПТР и др., преобразовате- ли давления Сапфир-22, Метран-55 и др., а также зарубежные преобразователи с унифицированными выходными сигналами фирм Dcmfoss, JUMO, Ргетех и др. В составе теплосчетчиков вместо преобразователей расхода с аналоговым или частотным выходным сигналом могут использоваться счетчики горячей воды крыльчатые (Ду<50 мм) или турбинные (Ду>50 мм) с дискретным выходным сиг- налом [1.147-1.149]. Принцип работы теплосчетчика основан на измерении сигналов от преобразо- вателей расхода, температуры и давления в подающем и обратном трубопроводах и вычислении потребления количества тепла Q с использованием значений массового расхода G и разности энтальпий (теплосодержания) в подающем и обратном трубо- проводах (й[ и h2 соответственно) по формулам: Г. Q = - G2h2; Q = J G(ht - h2 )dT. r, Единицы измерения параметров теплосчетчиков: • количество теплоты: ГДж, Гкал; • объемный расход теплоносителя: м3/ч; • массовый расход теплоносителя: т/ч; • объем теплоносителя: м3; • температура теплоносителя: °C; • избыточное давление в трубопроводах: МПа. Помимо функций измерения и регистрации теплосчетчики осуществляют регу- лирование (поддержание) теплового режима и параметров теплоносителя в системах тепло- и водоснабжения. С помощью теплосчетчиков может быть задан темпера- турный график отопления в зависимости от температуры наружного воздуха с дис- танционным (или автоматическим) переводом системы отопления в режим с повы- шенным или пониженным теплопотреблением (ночной режим). При этом поддержи- вается определенная температура в контурах отопления и горячего водоснабжения. Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя соответствуют МИ 2451-98. На рис. 1.119, а приведен общий вид тепловычислителя СПТ961М «НПФ Логи- ка», на рис. 1.119, б— теплосчетчика-регистратора «Взлет ТСР-М» ЗАО «ВЗЛЕТ», на рис. 1.119, в — тепловычислителя ВКТ-7 ЗАО «НПФ Теплоком» и на рис. 1.119, г — электромагнитного теплосчетчика КМ-5 «ТБН Энергосервис». В табл. 1.71 приведены технические характеристики отечественных теплосчет- чиков.
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 159 Таблица 1.71. Характеристики отечественных теплосчетчиков Тип теплосчетчика Тип тепловы- числителя Диапазон и тип преобразователя Погреш- ность, % Выходной сигнал Степень защиты расход темпе- ратура, °C Давление, МПа Логика 961К (ЗАО «НПФ Логика») СПТ 961 0...105 м3/ч; ВЗ ЛЕТ-ЭР 0...160; КТПТР, КТСПР 0...1.6 ±2 RS-232, RS-485 IP54 Взлет ТСР-М (ТСР-031) (ЗАО «ВЗЛЕТ») — Зх(О,О1...136О) м3/ч, ВЗЛЕТ - ЭР420Л Зх(О...18О), «Взлет ТПС» 0...2.5 ±2 RS-232, RS-485 IP54 ВКТ-7 ЗАО «НПФ Теплоком» ТСК-7 Вых. сигнал: 0... 10 (1000) Гц 0...175; НСХ: ЮОМ, ЮОП, 500П, PtlOO, Pt500 Вых. сигнал: 4.. .20 мА +0,25 RS-232, RS-485 IP54 ТЭРМ-02 («Эталон», г. Владимир) ИП-02С 5...220 (Ду 15... 100 мм); ПРЭ-0114 0...150; КТСПР (НСХ 100П) 0...1.6; 4...20 мА +1,5 RS-232, RS-485 1P54 СТЭ-0115 («Эталон», г. Владимир) 0...160; КТСПР (НСХ PtlOO) 4...20 мА ±3 RS-232, RS-485 1P54 КМ-5 (ТБН «Энергосервис», Москва) — 2,5...2500 (Ду 15...300 мм); РМ-5 0...150; КТПТР КРТ-1-1,0; 4...20 мА ±4 RS-232, RS-485 IP54 КМ-5-Б (ТБН «Энергосервис», Москва) — 2,5...2500 (Ду 15...300 мм); РМ-5-Б ИД; 0... 1,6 МПа +2; ±5 RS-485 IP54 Учет расхода природного и др. технических газов (азот, аргон, аммиак, водород, кислород, ацетилен и др.) осуществляется с помощью вычислителей количества га- зов по выходным сигналам преобразователей температуры, давления и объема газов и определения значений расхода и объема газа, приведенных к нормальным условиям. Вычислители количества газов входят в состав измерительных комплексов, обе- спечивающих индикацию и регистрацию измеряемых и вычисляемых параметров, а
160 ГЛАВА 1 Рис. 1.120 также среднечасовых и среднесуточных значений. Возможно создание часовых, суточных, декадных и месячных архивов данных. Уравнения вычислений расхода газов соответствуют ГОСТ 8.563.1-97, ГОСТ 8.563.2-97, ГОСТ 8.563.3-97, ГОСТ 30319.2, ГОСТ 8.563. На рис. 1.120 показан общий вид корректора газов «Взлет КГ-411» ЗАО «ВЗЛЕТ». В табл. 1.72 приведены технические характеристики вы- числителей количества газов. Таблица 1.72. Характеристики вычислителей количества газов Тип Число преобразователей; выходные сигналы Погреш- носгь, % Выходной сигнал Степень защиты Напряжение питания Температура Давление Расход СПГ741 ЗАО «НПФ Логика» 5х(4...2ОмА); 2х (0... 18/500 Гц); 2хТС (НСХ 50П, 100П, 50М, 100М) ±0,2 RS-232, Centronics 1P54 9...24 VDC СПГ761 ЗАО «НПФ Логика» 8х(0...5,0/4...20 мА); Зх(О...1ООО Гц); ЗхТС (НСХ 50П, 100П, 50М, 100М) ±0,15 RS-485, Centronics IP54 220 VAC ВКГ-2 ЗАО «НПФ Теплоком» ЗхТС (50М, 50П, 100М, 100П, 500М. 500П 8х(0...5 мА, 0/4...20 мА) Зх(4...2О мА) ±0,15 RS-232, RS-485, Centronics IP54 220 VAC ВКГ-ЗТ ЗАО «НПФ Теплоком» 100П, 500П. PtlOO, Pt500 4...20 мА 1000 Гц +0,2 RS-232, RS-485 IP54 9...24 VDC Взлет КГ-411 ЗАО «ВЗЛЕТ» -50...+180 °C 0...15 МПа 0...1106 м3/ч ±0,2 RS-232, RS-485 IP54 36 VDC 1.11.2 Электросчетчики Рис. 1.121 Учет потребляемой электроэнергии осуществляется с помощью электросчетчи- ков и сумматоров электрической энергии. Счетчики электрической энергии подразделяют на одно- и трехфазные, элек- тронные и индукционные, одно- и многотарифные. Счетчики по вариантам исполнения де- лят на счетчики непосредственного включе- ния и трансформаторного включения. Счет- чики используются для измерения активной и реактивной электрической энергии в одно- фазных двухпроводных, трехфазных трех- проводных и четырехпроводных цепях пере- менного тока. К числу основных технических характе- ристик электросчетчиков относят класс точ- ности, номинальный ток и номинальное на- пряжение, число тарифов, выходной сигнал,
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 161 габариты, массу, устойчивость к температурным и механическим воздействиям и др. К числу характеристик электросчетчика относят также встроенную защиту от само- хода (отсутствие сигнала при отсутствии тока в токовых цепях электросчетчика), на- личие ЖК-дисплея или счетного механизма и др [1.150,1.151. На дисплей помимо электрических параметров выводится текущее время (часы, минуты), т екущая дата (день, месяц, год), текущее значение средней мощности, энер- гия потребления по тарифным зонам и др. Ниже рассмотрены основные функции и технические характеристики электрон- ных электросчетчиков с выходным сигналом. А. Учет и индикация параметров: • количество потребленной и отпущенной активной и реактивной электроэнергии раздельно, нарастающим итогом, суммарно и раздельно; • по нескольким тарифам (число тарифов от одного до восьми); • количество потребленной и отпущенной активной и реактивной электроэнергии раздельно по тарифам за прошедшие дни и месяцы; • вывод графиков усредненной на заданном интервале времени потребляемой ак- тивной мощности; • измерение и регистрация потребляемой электроэнергии после перерыва пита- ния; • регистрация ежесуточных максимумов и минимумов получасовых мощностей с фиксацией даты и времени; • фиксация отключения силовой цепи на время более чем на заданную длитель- ность (до нескольких минут); • фиксация даты обмена информацией с внешними устройствами, а также попы- ток несанкционированного доступа к данным; • автоматическое изменение сезонного времени (летнее/зимнее), ведение календаря. Б. Параметры, задаваемые по интерфейсу (RS-232, RS-485, CAN): • коэффициенты тока и напряжения; • текущее время и дата; • величина суточной коррекции хода часов; • разрешение (запрет) перехода на летнее/зимнее время; • задание тарифного расписания; • пароли для доступа и редактирования параметров; • скорость обмена по интерфейсу; Электросчетчики соответствуют ГОСТ 30206-94, ГОСТ 30207-94, ГОСТ Р 52320- 2005, ГОСТ Р 52323-2005, ГОСТ Р 52425-2005. На рис. 1.121, а показан общий вид электросчетчика Ф669М, на рис. 1.121, б — ЦЭ2726 ОАО «ЛЭМЗ». В табл. 1.73 приведены основные технические характеристики отечественных электронных электросчетчиков. В случае большого числа электросчетчиков и необходимости решения задач диспетчеризации интегрированной системы учета и распределения электрической энергии применяются сумматоры. Сумматор рассчитан на работу с электросчет- чиками, имеющими выходной электрический сигнал (числоимпульсный или ана- логовый). Сумматоры обеспечивают комплексное решение задач многотарифного учета потребления и отпуска электрической энергии и мощности, многозонного контроля 6 Зак. 3801
162 ГЛАВА 1 максимумов энергопотребления, управление нагрузками и организации систем дис- петчеризации распределения электрической энергии. Таблица 1.73. Характеристики отечественных электронных электросчетчиков Тип Варианты подклю- чения Число тарифов Класс точности Номинальные значения Выходной сигнал Ток, А Напряжение, VAC Однофазные электросчетчики СЭА11-2 (ОАО «Сигнал», г. Ставрополь) Непосредственное1) 2 2 5(65) 220 Импульсный СОЛО (ОАО «лэмз», С.-Петербург) Трансформаторное 1 1; 2 5(60) 220 Импульсный ЦЭ-2726 (ОАО «ЛЭМЗ», С.-Петербург) Непосредственное 4 1 5(50) 220 RS-485 СОЭТ-1(ОАО«МЭТЗ», г. Мытищи) Непосредственное 4 2 5(60) 220 Импульсный СЭТ1-2К5 («ГРПЗ», г. Рязань) Непосредственное 2 1 5(50) 220 Импульсный СЭБ-2А.07 («НЗиФ», г. Н. Новгород) Непосредственное 4 2 5(50) 220 RS-485 Трехфазные электросчетчики ОАО «Сигнал», г. Ставрополь СЭАЗ-1 Непосредственное 1 2 5(55) 3x220 Импульсный СЭАЗ-2 Трансформаторное 2 2 1(8) 3x220 Импульсный СЭА32 Трансформаторное 8 1 5(50) 3x220/380 RS-232, RS- 485 СЭ 3000 Непосредственное 4 0,5 0,025(7,5) 3x220 RS-232, RS- 485, CAN «МЗЭП», Москва СТЭ-561/П5 СТЭ-561/П50 СТЭ-561/П100 Непосредственное Трансформаторное Трансформаторное 4 1 5(7,5) 5(50) 10(100) 3x220/380 RS-485 «МЭТЗ», г. Мытищи СЭТ4-1/1 СЭТ4-1М СЭТ4-1/2М Непосредственное 1 1 5(7,5) 5(60) 10 (100) 3x220/380 Импульсный «ИНКОТЕКС», Москва Меркурий-230АКТ-03 Непосредственное 4 1 5 (7,5) 3x220/380 GSM ОАО «ЛЭМЗ», С.Петербург ЦЭ-2727 Непосредственное 8 1 3x220/380 RS-232, RS-485 ТРИО Непосредственное 1 1; 2 1(2); 5(10); 5(50); 10(100) Зх(76...264) Импульсный Ф669М Непосредственное 8 0,5 5(10) 3x230/400 RS-232, RS-485 Альфа «АВБ ВЭИ Метроника» Трансформаторное 4 0,5 5 3x220/380 RS-485, ИРПС