Разработка и метрологическое обеспечение измерительного канала давления

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

 

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

ИК - измерительный канал;

ИПД - измерительный преобразователь давления;

ИИС - информационно-измерительная система;

ИПД – измерительный преобразователь;

МКИ - межкалибровочный интервал;

МА – метрологическая аттестация;

МО - метрологическое обеспечение;

MX - метрологические характеристики;

НД - нормативная документация;

ПИП - первичный измерительный преобразователь;

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь

БРТ - блок распределения токового сигнала;

СИТ - средство измерительной техники;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ТП – технологический процесс;

ТЗ - техническое задание;

МС – метрологическая служба;

АЭС – атомная электростанция.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

С развитием науки и техники усложняются объекты исследования и возрастают скорости измерений. Исследования сложных объектов измерения, как правило, могут выполняться при помощи СИТ адекватных по сложности объекту измерения. Как правило, такие СИТ обеспечивают необходимую скорость сбора, регистрации, и обработки данных в реальном масштабе времени. Таковыми можно назвать сложные информационно-измерительные системы (ИИС), которые отличаются разнообразием технических и конструктивных решений. Это в первую очередь обусловлено разнообразием видов свойств объектов измерения. Применение ИИС упрощает и облегчает доступ к измерительной информации, необходимой для управления сложными технологическими процессами (ТП)

Данная работа на тему «Разработка структурной схемы измерительного канала давления и его метрологическое обеспечение» выполняется, с целью закрепления теоретического материала, приобретения навыков работы с измерительной техникой, овладения методами расчета и проектирования измерительного канала.

В ходе выполнения работы рассматриваются следующие вопросы:

1. Составление структурной схемы ИК.
2. Построение математической модели измерительного канала (ИК) - математическая модель обладает свойствами ИК и при построении такой модели можно выявить недостатки и неточности системы, тем самым экономя материальные и временные ресурсы.
3. Описание элементов входящих в ИК, определение их технических и метрологических характеристик.
4. Расчет погрешности ИК.
5. Разработка программы метрологической аттестации для данного ИК.

Измерительный канал (ИК) - это измерительная цепь, образованная последовательным соединением средств измерений и других технических устройств, предназначенная для измерения одной физической величины и имеющая нормированные метрологические характеристики (MX).

Измеряемая величина или параметр характеризует свойство объекта или технологический процесс. Современное производство, промышленность, энергетика функционируют в условиях автоматизации всех производственных и технологических процессов. Для обеспечения автоматизации и работы автоматики непрерывно проводятся измерения сотен и тысяч параметров, имеющих самую разнообразную физическую природу.

Автоматические системы управления технологическим процессом получения электрической энергии на электрических станциях выполняют свои функции на основе информации о параметрах технических устройств и процессов в различных системах станции. В соответствии со спецификой электрической станции основное количество измерений приходится на теплотехнические и электротехнические измерения.

Отбор информации о параметрах может производиться в самых различных точках, при этом диапазон значений измеряемых параметров оказывается различным, различными оказываются и требования к точности измерений.

Источником информации об измеряемой физической величине является первичный измерительный преобразователь (ПИП). Эта информация в виде электрического сигнала поступает в электрический тракт, в конце которого производится использование информации, или дальнейшее преобразование (обработка).

На электрической станции измерительная информация с измерительных каналов, помимо отображения ее с помощью различных показывающих приборов, используется:

• для работы защитной и противоаварийной автоматики;
• для формирования управляющих воздействий в автоматических системах;
• для переработки и хранения информации.

В соответствии с этими функциями измерений и назначением измерительной информации, получаемой с помощью ИК, строится сама система (структура) ИК.

Непосредственную связь с объектом измерений выполняет ПИП, который значение физической величины переводит в сигнал измерительной информации. Сигнал измерительной информации - это электрический сигнал, который может характеризоваться различными информативными параметрами: напряжением, током, частотой, фазой переменного тока и т.п.

 

1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

 

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т.д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. Давление определяется силой и площадью с одной стороны, а с другой — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых измерений, других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) - в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы:

1. средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.
2. средства измерения давления, основанные на прямых относительных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под действием давления.
3. средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения других физических величин: установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакуумметры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Для измерения давления используют манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, датчики давления.

Манометры — приборы, предназначенные для измерения избыточного, абсолютного и дифференциального давления или разности давлений жидкостей и газов. Действие манометров основано на зависимости ряда физических параметров от давления. По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, пружинные, грузопоршневые и с дистанционной передачей показаний.

Для измерения абсолютного давления, т.е. такого, которое считывается от абсолютного нуля, выпускаются манометры абсолютного давления; для измерения избыточного — манометры избыточного давления, и наиболее часто «по умолчанию» эти разновидности приборов называют манометрами. Большинство выпускаемых манометров применяются для измерения избыточного давления. Их отличительным признаком является показание «нуля» прибора при воздействии на чувствительный элемент атмосферного давления.

Измерение давления разреженного газа производят вакуумметрами. Соответственно вакуумметр — это манометр для измерения давления разреженного газа. Манометр, имеющий возможность измерять давление разреженного газа и избыточное давление (у прибора единая шкала), называют мановакуумметром.

Приборы, предназначенные для измерения разности давлений в двух произвольных точках, именуют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Причем это название в большей степени применимо для показывающих приборов. Устройство измерения дифференциального давления с унифицированным выходным сигналом называют измерительным преобразователем разности давлений.

Тягомеры, напоромеры, дифманометры-напоромеры - приборы, предназначенные для измерения вакуумметрического, избыточного, а также разности вакуумметрических и избыточных давлений воздуха и неагрессивных газов.

Датчики давления — устройства, физические параметры которых изменяются в зависимости от давления. Предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра - давления (избыточного ДИ, абсолютного ДА, разрежения ДВ, разности давлений ДД, давления и разрежения ДИВ) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Одним из наиболее распространенных и надежных ПИП, используемых для контроля технологического процесса являются дифманометры типа «Сапфир» различных модификаций.