Разработка и метрологическое обеспечение измерительного канала давления

 

2. ВЫБОР ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

2.1 Анализ измеряемого параметра и выбор ПП измерения давления

Измеряемой величиной в данной работе является давление. На основании исходных данных необходимо спроектировать ИК, предназначенный для изменения давления воды 0-16 МПа, погрешность которого не превышает 1,6%, а дополнительная погрешность не более 0,8%.

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

Для измерения избыточного давления воды в качестве ПИП устанавливается из таблицы 2.1 выбираем Сапфир-22М-ДИ модели 2170, так как измерения производятся косвенным методом и по своим техническим и метрологическим характеристикам он наиболее соответствует заданным параметрам, отличается высокой точностью измерения и надёжностью.

Косвенный метод измерения давления воды более точен и конструктивно легкий в исполнении. Преобразователи избыточного давления Сапфир-22М-ДИ предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра - давления избыточного нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства.

Приборы имеют раздельную настройку нуля и диапазона. При выпуске из производства преобразователь настраивается на любой верхний предел измерений (в соответствии с заказом), не выходящий за крайние значения, предусмотренные для данной модели.

Потребляемая мощность преобразователя при напряжении питания 36 В - не более 0,85 В А.

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP-54.

Технические характеристики:

- материал - углеродистая сталь с покрытием;

- масса - 6,3 кг;

- габаритные размеры - 122х218х215

- межповерочный интервал - 3 года;

- средний срок службы – 12 лет

Таблица 2.1 Датчики избыточного давления (ДИ)

 

Тип датчика	Модель	Верхние пределы измерений, кПа	Погрешность
Сапфир-22М	2110	0,25;0,4	0,5
		0,6;1,0;1,6	0,25;0,5
	2120	2,5;4,0	0,25;0,5
		6,0;10,0	0,5
	2130	6,0;10,0	0,5
		16,0;25,0;40,0	0,25;0,5
	2140	40	0,5
		60;100;160;250	0,25;0,5
	2150	0,4 МПа	0,25;0,5
		0,6;1,0;1,6;2,5 МПа	0,2;0,25;0,5
	2160	2,5 МПа	0,25;0,5
		4,0;6,0;10,0;16,0 МПа	0,2;0,25;0,5
	2170	16,0 МПа	0,5
		25,0;40,0;60,0;100,0 МПа	0,25;0,5

 

 

На рисунке 2.1 представлен внешний вид измерительного первичного преобразователя

Рисунок 2.1

 

2.2 Описание устройства, принципа действия и МХ ПП измерения давления

Преобразователи избыточного давления Сапфир-22М-ДИ предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра - давления избыточного нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи предназначены для работы со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала 0-5 мА, 4-20 мА, 0-20 мА постоянного тока.

Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.

Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Сапфир-22М-ДИ модели 2170 предназначен для измерения давления до 16 МПа. Основные технические характеристики приведены ниже в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технические характеристики Сапфир-22М-ДИ

Параметры	Значение
Диапазон рабочих температур(°С)	-40...+ 80
Специальное исполнение (по согласованию °С)	- 60...+ 80
Относительная влажность воздуха при температуре 35°С	95%
Потребляемая мощность преобразователя при напряжении питания (36±0,72) V, V • А, не более: для преобразователя с выходным сигналом 0-5 мА; для преобразователей с выходным сигналом 4-20 мА; для преобразователей с выходным сигналом 0-20 мА.	0,5 0,8 1,2
Питание от внешних источников постоянного тока для преобразователей с выходным сигналом:  0...5 мА 4...20 мА	15...42В 36 В
Сопротивление нагрузки для датчиков с сигналом 0 - 5, 5 - 0 Ом, кОм	2,5
Сопротивление нагрузки для датчиков с сигналом 0 - 20, 20 - 0 Ом, кОм		1,0
Питание датчиков с выходным сигналом 4 - 20; 20 - 4 мА, В		15...42
Питание датчиков с выходным сигналом 0-5, 5-0; 0 - 20, 20-0 мА, В		36 ± 0,72
Исполнения по взрывозащите		lExsdllBT4/H2 lExdllBT4/H2
Виброустойчивость		L3
Степень защиты		IP54
Габаритные размеры		112x189x262 мм
Масса		не более 6,3 кг

Основные метрологические характеристики Сапфир-22М-ДИ приведены ниже в таблице 3

Таблица 3 - Основные метрологические характеристики Сапфир-22М-ДИ

Параметры	Значение
Выходные сигналы	0...5; 4...20мА
Вариация выходного сигнала не должна превышать для преобразователей с верхним пределом измерений до 100 МПа исполнения по материалам 01...03; 11; 12	0,4 | γ |
Дополнительная температурная погрешность от γ , на 10 °С	0,08
Предел основной допускаемой погрешности от γ, %	0,5

Зона нечувствительности преобразователей не превышает 0,05 % от диапазона измерений.

Р,МПа	0	3,2	6,4	9,6	12,8	16
I,мА	0	1	2	3	4	5

Зависимость между выходным сигналом и измеряемым параметром (номинальная статическая хаоактеоистика) имеет вид:

I

 

5         

 

4         

3         

2         

1         

0            3,2           6,4          9,6          12,8        16                 P

Средняя наработка на отказ преобразователя должна быть 150000 часа

Гарантийный срок хранения 6 меc., гарантийный срок З года, средний срок службы 15 лет.

 

3 ПРОЕКТИРАВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА ДАВЛЕНИЯ

 

3.1 Разработка структурной схемы ИК давления

На сегодняшний день количество различных типов ИК применяемых на АЭС очень велико, но в основном они имеют однотипный состав и структуру, так как в основном строятся на базе унифицированных блоков.

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)В основном ИК состоит из нескольких блоков, которые в общем виде можно описать следующим образом (рисунок 3.1):

- измерительный преобразователь (датчик, Д), который воспринимает измеряемую величину (X) и преобразует ее в выходную величину (Y), удобную для дальнейшего преобразования и передачи;

- нормирующий преобразователь (НП), в котором выполняются измерительные операции над выходным сигналом датчика с целью доведения сигнала (преимущественно напряжения) до уровня удобного для дальнейшего аналого-цифрового преобразования (Uнп);

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который осуществляет автоматическое преобразование величины аналогового сигнала в ее цифровой эквивалент (Nx);

- интерфейс (И) – группа технических устройств и соответствующих программ управления, которые предназначены для передачи измерительной информации (в виде цифровых данных Dx) между СИТ, вычислительными, отсчетными и регистрирующими устройствами.

 

 

 

Рисунок 3.1 – Обобщенная структурная схема измерительного канала

Разрабатываемый измерительный канал в соответствие с заданием должен иметь следующие характеристики:

- Измеряемый параметр (физическая величина) – избыточное давление.

- Диапазон измерения – 0–16 МПа.

- Допустимая основная погрешность – 1,6%.

- Дополнительная погрешность от влияющих факторов – 0,8%.

Реальные условия эксплуатации:

- Температура окружающего воздуха – 20 – 60 0С.

- Относительная влажность воздуха – 60 – 80%.

- Атмосферное давление – 60 – 110 кПа.

- Напряженность внешнего  магнитного поля – 400 А/м.

- Частота вибрации – 25 Гц.

- Амплитуда виброперемещения  – 0,01 – 0,04 мм.

На основе этого разработаем структурную схему ИК давления.

Источником информации об физической величине является ПИП, в качестве которого, учитывая заданный диапазон измерения можно применить средства измерения с электрическими преобразователями давления, или так называемые первичные приборы давления. Эта информация в виде электрического сигнала поступает в электрический тракт, в конце которого производиться использование информации, или дальнейшее ее преобразование (обработка).

 

 

Структурная схема измерительного канала давления представлена на рисунке 3.2.

 

    Р                          I                         I'                      NX                                  Рвых

 

 

Рисунок 3.2 - Структурная схема измерительного канала давления воды

 

При изображении структурной схемы ИК давления воды были использованы следующие элементы, условные обозначения которых приведены ниже в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Условные обозначения блоков ИК

 

Обозначение элемента	Полное название	Погрешность. %
Сапфир-22М ДИ	Датчик давления Сапфир-22М-ДИ модели 2170	±0,5
БРТ	Блок распределения токового сигнала	±0,2
М-64	Комплекс связи с объектом	±0,6
СМ-2М	Комплекс вычислительный	±0,2
РМОТ	Рабочее место оператора-технолога	Не вносит погрешность

 

 

 

3.2 Разработка математической модели ИК давления

Математическая модель ИК строится на основе моделей составляющих его структурных элементов. Основной характеристикой, определяемой в процессе моделирования, является уравнение преобразования (номинальная статическая характеристика) элементарного звена, т.е. функция, связывающая между собой его входной и выходной сигналы.

Наиболее удобной является линейная функция преобразования

xвых = kxвх ,

где к - коэффициент преобразования.

Составляем уравнение преобразования, которое является математической моделью ИК давления воды:

Pвх→I→I'→Nх→Рвых

 

где: Рвх - входная величина давления воды, МПа;

I - унифицированы токовый сигнал на выходе из ПИП, мА;

I' - унифицированный токовый сигнал на выходе из БРТ(0-5мА);

Nх - сигнал в цифровом коде с М-64;

Рвых - цифровые данные полученные из комплекса вычисления, МПа