125760 (Автоматизация технологического процесса варки целлюлозы в варочном котле периодического действия)

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Термопреобразователи сопротивления (ТС) и термоэлектрические преобразователи (ТП). Типы НСХ. Конструкция ТС и ТП, особенности применения

Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тел меняются и их физические свойства.

Приборы для измерения температуры классифицируют в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции: контактный (метод непосредственного соприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный (метод, основанный на расположении измерительного прибора на расстоянии от измеряемой среды).

К приборам, основанным на контактном методе измерений, относят жидкостные стеклянные термометры, термометры расширения твердых тел, манометрические термометры, термоэлектрические термометры (термопары), термопреобразователи (термометры) сопротивления. Для целей автоматизации применимы только два последних вида термометров.

Термоэлектрические термометры (термопары) являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряют магнитоэлектрическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.

Термоэлектрические преобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (газ, пар, вода, сыпучие материалы, химические реагенты), используемых в объектах народного хозяйства и неагрессивных к материалу защитной арматуры термопреобразователей. Термопреобразователи относятся к изделиям общепромышленного применения и предназначены для работы в макроклиматических районах с умеренным, холодным и жарким климатом.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого показана на рисунке 1, а, представляет собой чувствительный элемент, выполненный в виде двух проводников из разных металлов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущность термоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).

Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом - 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этом условии термо-ЭДС термоэлектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца - 2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной известной температурой.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя не изменится, если в его цепь будет включён третий проводник или измерительный прибор и температура мест его подсоединения будет одинаковой. Измерительный прибор (или третий проводник) может включаться или в свободные концы, или в термоэлектрод.

Для предохранения от повреждений термоэлектрические термометры заключают в защитную арматуру (рис. 1, б).

Термоэлектрические термометры имеют стабильную характеристику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что делает термоэлектрические термометры взаимозаменяемыми.

Современные средства микроэлектроники позволяют сигналы от термопар не только усиливать до нормального уровня, но и оцифровывать.

1 - свободный конец; 2 - рабочий конец; 3 - термоэлемент; 4 - жароупорный наконечник; 5 - металлический чехол; 6 - фарфоровые изоляторы; 7 - головка термометра с зажимами; А, Б - проводники из разных металлов

Рисунок 1 - Простейшая термоэлектрическая цепь (а) и общий вид термоэлектрического термометра (6)

Предусмотрено изготовление пяти типов термоэлектрических термометров: вольфрамрений (5% рения) — вольфрамрениевые (20% рения) типа ТВР; платинородий — платиновые типа ТПП; платинородий (30% родия) — платинородиевые (6% родия) типа ТПР; хромель-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХК. Кроме того, промышленность изготовляет нестандартные вольфраммолибденовые термоэлектрические термометры типа ВМ.

Верхний предел температур, измеряемых термоэлектрическими термометрами, зависит от их типа. Так, термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП — до 1300, ТПР — до 1600, ТХА — до 1000, ТХК — до 600°С.

Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) широко применяют во всех отраслях промышленности для измерения температуры в трубопроводах, технологическом оборудовании, электрических вращающихся машинах, нагревательных печах, а также в производственных помещениях.

Действие термопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковых материалов (химически чистой платины или меди) изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Выпускаются следующие разновидности термопреобразователей сопротивления: платиновые, медные и полупроводниковые термопреобразователи сопротивления.

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от — 260 до 1100°С. Чувствительный элемент такого термопреобразователя (рис. 2) изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку 4 (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру 8.

Медные термопреобразователи сопротивления для измерения температуры от — 50 до 200°С изготовляют из медной изолированной проволоки диаметром 0,1. .0,2 мм, а выводы — из медной луженой проволоки диаметром 1... 1,5 мм.

1 - платиновая проволока; 2 - каркас; 3 - серебряная лента; 4 - слюдяная пластинка; 5 - выводы; 6 - чувствительный элемент; 7 - оксид аммония; 8 - защитная арматура; 9 - зажим; 10 - крышка; 11 - головка; 12, 13 - штуцера под кабель и штуцер для крепления оправы; 14 – изоляторы

Рисунок 2 - Платиновый термопреобразователь сопротивления

Вторичными измерительными приборами для термопреобразователей сопротивления служат такие же нормирующие усилители и аналого - цифровые преобразователи, применяемые для термопар.

1.2 Основные сведения об автоматическом управлении (регулирование). Классификация и структурные схемы автоматических систем регулирования (АСР)

Технологические процессы характеризуются совокупностью определяющих их физических величин (температурой, давлением, расходом вещества, концентрацией массы и т. д.). Для нахождения значений этих физических величин применяются контрольно-измерительные приборы и контрольно-измерительные системы.

Контрольно-измерительный прибор предназначается для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Контрольно-измерительный прибор представляет собой единое конструктивное целое, т. е. состоит из одного не расчленяемого на части устройства (пружинный манометр для измерения давления, ртутный стеклянный термометр для измерения температуры).

Контрольно-измерительной системой называется совокупность средств измерений (измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем или для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Контрольно-измерительная система состоит из отдельных измерительных преобразователей, приборов и вспомогательных устройств, т. е. из частей, каждая из которых самостоятельно выполняет присущую только ей определенную роль во всем процессе измерения.

Измерительный преобразователь представляет собой средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительные преобразователи разделяются на первичные, промежуточные и передающие.

Первичный преобразователь является первым по ходу измерительного сигнала функциональным элементом в измерительной цепи. Например, термопара в цепи термоэлектрического термометра, служащая для преобразования тепловой энергии в электрическую, или сужающее устройство расходомера переменного перепада, служащее для частичного преобразования потенциальной энергии потока вещества в кинетическую. Заметим, что часть первичного преобразователя, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины, а иногда весь преобразователь являются чувствительным элементом контрольно-измерительного прибора или системы.

Промежуточный преобразователь — это преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного.

Передающий преобразователь — это преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Например, в системе расходомера переменного перепада устройство дистанционной пневматической передачи размера перепада давлений на измерительный прибор является пневматическим передающим преобразователем.

Сигнал измерительной информации осуществляется по каналам связи.

Канал связи — это трубные коммуникации, электрические соединительные провода или механические (кинематические) звенья и цепи звеньев, служащие для объединения отдельных составных частей в контрольно-измерительную систему. В каналы связи могут быть в случае необходимости включены вспомогательные устройства.

Вспомогательные устройства представляют собой устройства, приспособления и механизмы, не участвующие непосредственно в самом процессе измерения, но используемые для обеспечения правильности и бесперебойности действия контрольно-измерительных приборов и контрольно-измерительных систем. К вспомогательным устройствам относятся, например, фильтры,' разделительные сосуды и другие промежуточные устройства, циркуляционные устройства, источники питания.

К вспомогательным также относятся приемные устройства, применяемые для отбора из контролируемого аппарата сигнала измерительной информации с целью подвода его по каналу связи к чувствительному элементу первичного преобразователя (приемные устройства манометров, тягомеров, газоанализаторов и т. д.).

Если по ходу сигнала измерительной информации в контрольно-измерительную систему входят два измерительных прибора, то первый по порядку прибор называется первичным, а последующий - вторичный. В этом случае для передачи сигнала измерительной информации между приборами размещается передающий преобразователь.

Если в контрольно-измерительную систему входят два измерительных прибора, действующих от одного первичного или передающего преобразователя, то они оба именуются первичными приборами.

Контрольно-измерительные приборы и системы разделяются на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах или системах показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В цифровом приборе показания представлены в цифровой форме, для чего автоматически вырабатываются дискретные (прерывистые) сигналы измерительной информации.

Контрольно-измерительные приборы по способу воспроизведения значения измеряемой величины подразделяются на показывающие, регистрирующие и интегрирующие.

Показывающие приборы допускают только отсчитывание показаний, для чего имеют отсчетное приспособление, по которому определяют значение измеряемой величины в данный момент времени. Для этого прибор имеет циферблат со шкалой, градуированной в единице измерения, и стрелку. По положению стрелки против той или иной отметки на шкале производят отсчет.

К показывающим приборам относится большинство применяемых на практике контрольно-измерительных приборов. Это объясняется тем, что показывающие приборы обладают крупными, хорошо читаемыми шкалами, вследствие чего они могут успешно применяться для оперативного управления технологическим процессом. Меньше подходят для этих целей самопишущие регистрирующие приборы.

Самопишущие приборы автоматически записывают свои показания на движущейся диаграммной бумаге, что позволяет анализировать правильность соблюдения установленного режима. Диаграммная бумага разделяется на дисковую, рассчитанную на суточную запись, и ленточную, рассчитанную на длительную непрерывную запись показаний (до нескольких десятков суток или менее в зависимости от установленной скорости перемещения бумаги). Для записи показаний в самопишущих приборах применяются перья с чернилами или красящие ленты с печатающими устройствами (нумераторы и т. д.).

Самопишущие приборы обычно устанавливаются на групповых или центральных щитах и являются приборами контроля, а в случае обработки диаграмм планиметрами — приборами учета, как и интегрирующие приборы.

Интегрирующими приборами называются приборы, в которых подводимый сигнал измерительной информации или подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной. Интегрирующие контрольно-измерительные приборы имеют суммирующий механизм, при помощи которого определяется суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени.