от так называемого сорта нефти, так как нефти с различных место-
рождений имеют различные значения диэлектрической проницаемо-
сти. Эта погрешность становится существенной при малых концен-
трациях воды. Поэтому во влагомерах, рассчитанных на небольшое
влагосодержание (например, для товарной нефти), используют специ-
альную дифференциальную схему, позволяющую исключить влияние
сорта нефти на результат измерения (рис. 8.7). Влагомер содержит
два цилиндрических конденсатора 1 и 9. Конденсатор 1 установлен
в трубопроводе 10, по которому протекает анализируемая нефть, т. е.
его емкость зависит от ее диэлектрической проницаемости ен, которая
определяется как содержанием воды в нефти, так и ее сортом. Кон-
денсатор 9 установлен в емкости 8, которая периодически заполня-
ется нефтью, очищенной в блоке осушки 7 от воды и механических
примесей. Его емкость будет определяться диэлектрической прони-
цаемостью εно обезвоженной нефти, т. е. это значение зависит только
от сорта нефти. Конденсаторы 1 и 9 включены в колебательные кон-
туры генераторов 2 и 6, частоты колебаний которых ƒн, и fK пропор-
циональны емкостям этих конденсаторов. Выходные сигналы гене-
раторов поступают в смеситель 3; его выходное напряжение опреде-
ляется разностью частот ƒр, т. е. будет функцией только концентрации
воды в нефти. Этот сигнал в преобразователе 4 преобразуется в уни-
фицированный сигнал постоянного тока. Для визуального контроля
используется вторичный прибор 5. Влагомер обеспечивает измерение
влагосодержания в диапазонах от 0... 3 до 0... 60 % об.
8.4.3. Сверхвысокочастотные влагомеры
Принцип действия сверхвысокочастотных (СВЧ) влагомеров осно-
ван на оценке степени взаимодействия исследуемого материала с
СВЧ-радиоволнами. При прохождении СВЧ-радиоволн через влажный
материал происходит поглощение и рассеяние энергии электромаг-
нитных волн частицами вещества. Для получения информации о
свойствах вещества можно использовать параметры прошедшего или
отраженного излучения. При этом конструкция и схема измеритель-
ного устройства определяются способом локализации СВЧ-радиоволн.
Наиболее распространенными являются метод с использованием про-
ходящей волны и метод с использованием отраженной волны. В этих
методах измеряемой характеристикой служат затухание, изменение
амплитуды или фазы волны. Например, во влагомере, в котором вла-
госодержание преобразуется в степень затухания сигнала, радиоволны,
вырабатываемые СВЧ-генератором, по волноводу поступают на пере-
дающую антенну, откуда направляются узким лучом на объект изме-
рения. Пройдя через него, они частично поглощаются находящейся
в анализируемом материале водой и попадают на приемную антен-
ну, откуда по волноводу поступают в измерительный блок. В этом
блоке происходит измерение затухания сигнала, его детектирование
(т. е. выпрямление) и усиление постоянной составляющей сигнала.
На практике обычно используются рупорные антенны, хотя возможно
применение направленных излучателей других типов, например ди-
электрических стержневых антенн.
Основное преимущество СВЧ-влагомеров заключается в том, что
они бесконтактны и позволяют измерять влажность в широком диа-
пазоне (0... 100 %) с высокой точностью. По сравнению с диэлькоме-
трическими влагомерами они имеют гораздо более высокую чувстви-
тельность, что делает приборы практически нечувствительными к
изменению состава (сорта) нефти. Выпускаемые отечественными и
зарубежными фирмами СВЧ-влагомеры часто называются также
микроволновыми.
8.4.4. Кулонометрические гигрометры
В кулонометрических гигрометрах в зависимости от количества
влаги в газе изменяется ток электролиза. Он связан с концентрацией
влаги соотношением
где / — сила тока; с — концентрация влаги- Q — расход газа; п —
число электронов, необходимое для электролиза одной молекулы
воды; F— число Фарадея; М — молекулярная масса воды.
В канале цилиндрического стеклянного корпуса 1 кулонометри-
ческого чувствительного элемента размещены родиевые электроды
2, 3 и 4, выполненные в виде геликоидальных несоприкасающихся
спиралей (рис. 8.8). Электроды 3 и 4 расположены последовательно
друг за другом по ходу газового тракта. На стенки канала и электро-
да нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора
Р205, обладающей высокой влагосорбирующей способностью. Через
чувствительный элемент в направлении, указанном стрелкой, непре-
рывно проходит анализируемый газ, расход которого поддерживает-
ся постоянным. Значение расхода выбирается таким образом, чтобы
из потока анализируемого газа извлекалась практически вся влага.
К электродам приложено напряжение от источника постоянного
тока 5, причем значение этого напряжения превышает потенциал
разложения воды. Таким образом, в гигрометре одновременно про-
исходят два процесса: непрерывное извлечение пленкой сорбирую-
щего вещества влаги из точно дозируемого потока анализируемого
газа и электролитическое разложение поглощенной влаги. В устано-
вившемся режиме ток электролиза, контролируемый гигрометром,
является мерой абсолютного содержания влаги в газе.
В процессе работы чувствительного элемента происходит посте-
пенное уменьшение активной поверхности пленки пятиокиси фос-
фора, сорбирующей влагу, что равносильно укорачиванию чувстви-
тельного элемента со стороны входа анализируемого газа. Причиной
этого является загрязнение пленки механическими примесями и
полимеризующимися на ней компонентами анализируемого газа, а
также постепенный вынос молекул пленки газовым потоком. По
мере эксплуатации гигрометров количество влаги, не извлеченной
в чувствительном элементе при прохождении анализируемого газа,
постепенно увеличивается. Для учета этого фактора в гигрометре
предусмотрен контроль полноты извлечения влаги в чувствительном
элементе.
Диапазон измерений кулонометрических гигрометров от 10~5 до
0,1 %. Недостаток этих приборов — невозможность измерения влаж-
ности газов, которые содержат щелочные и полимеризующиеся ком-
поненты. В первом случае Р205 реагирует со щелочным компонентом,
во втором служит инициатором полимеризации, а образующаяся
пленка полимера препятствует поступлению водяных паров к поверх-
ности адсорбента.
Принцип их действия в целом аналогичен диэлькометрическим
влагомерам, но при этом достаточно часто в этих гигрометрах ис-
пользуется комбинация диэлькометрического и электросорбционно-
го (измерение электрической проводимости вещества, поглощающе-
го влагу) методов. В диэлъкометрическом гигрометре (рис. 8.9) из-
менение диэлектрической проницаемости происходит вследствие
сорбции паров воды из анализируемого газа. Этот газ прокачивается
с постоянным объемным расходом через камеру 1, в которой раз-
мещен алюминиевый стержень 2, по поверхности которого сделана
нарезка и нанесен оксид алюминия А1203. В нарезку уложена нике-
левая проволока 3. Стержень 2 и проволока 3 образуют конденсатор,
включенный в неравновесный электрический мост переменного тока.
Емкость этого конденсатора увеличивается при сорбции паров воды
оксидом алюминия и возрастании вследствие этого его диэлектриче-
ской проницаемости. Увеличение емкости измеряется вторичным
прибором (вольтметром) 4.
Гигрометры такого типа обеспечивают измерение относительной
влажности в диапазоне 20... 100%. При использовании некоторых других
сорбентов нижний предел измерения может начинаться с 10"4 % об.
Контрольные вопросы
1. В каком случае анализируемая смесь может считаться псевдобинарной?
2. Почему для питания датчиков термокондуктометрических и термохими-
ческих газоанализаторов необходим источник стабилизированного тока?
3. Как определяется относительная плотность для жидкостей?
4. Каким образом в вибрационных плотномерах учитывается давление по-
тока? /
5. Зависит ли диапазон измерения капиллярного вискозиметра от диаме-
тра капилляра?
6. Каким образом можно менять диапазон измерения вискозиметра с па-
дающим шариком?
7. В чем заключается разница между понятиями «влагосодержание» и
«влажность»?
8. Какая температура называется температурой точки росы?
9. Для чего служит пленка из пятиокиси фосфора в кулонометрическом ги-
грометре?
Гл а в а 9
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
9.1. Основные сведения
Государственная система промышленных приборов и средств авто-
матизации (ГСП) создана с целью обеспечения техническими средства-
ми систем контроля, регулирования и управления технологическими
процессами в различных отраслях народного хозяйства. На ранних
этапах создания средств автоматизации в различных организациях и на
предприятиях разрабатывалось множество различных приборов изме-
рения и контроля со сходными техническими характеристиками, одна-
ко при этом не учитывалась возможность совместной работы приборов
различных производителей. Это приводило к увеличению стоимости
разработок сложных систем и тормозило широкое внедрение средств
автоматизации. Поэтому в 1960 г. было принято решение о создании
ГСП, а с 1961 г. начались работы по ее реализации. В настоящее время
ГСП представляет собой эксплуатационно, информационно, энергети-
чески, метрологически и конструктивно организованную совокупность
изделий, предназначенных для использования в качестве средств авто-
матических и автоматизированных систем контроля, измерения, регу-
лирования технологических процессов, а также информационно-
измерительных систем. ГСП стала технической базой для создания
автоматизированных систем управления технологическими процессами
(АСУ ТП) и производством (АСУП) в промышленности. Ее развитие
и применение способствовали формализации процесса проектирования
АСУ ТП и переходу к автоматизированному проектированию.
В основу создания и совершенствования ГСП положены следую-
щие системно-технические принципы: типизация и минимизация
многообразия функций автоматического контроля, регулирования и
управления; минимизация номенклатуры технических средств;
блочно-модульное построение приборов и устройств; агрегатное по-
строение систем управления на базе унифицированных приборов и
устройств; совместимость приборов и устройств.
По ф у н к ц и о н а л ь н о м у признаку все изделия ГСП разделены
на четыре группы устройств: 1) получение информации о состоянии
процесса или объекта; 2) прием, преобразование и передача инфор-
мации по каналам связи; 3) преобразование, хранение и обработка
информации, формирование команд управления; 4) использование
командной информации.
В первую группу в зависимости от способа представления инфор-
мации входят: датчики; нормирующие преобразователи, формирую-
щие унифицированный сигнал связи; приборы, обеспечивающие
представление измерительной информации в форме, доступной для
непосредственного восприятия наблюдателем, и устройства алфа-
витно-цифровой информации, вводимой оператором вручную.
Вторая группа содержит коммутаторы измерительных цепей, пре-
образователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согла-
сующие устройства, средства телесигнализации, телеизмерения и
телеуправления. Эти устройства используют для преобразования как
измерительных, так и управляющих сигналов. Третью группу со-
ставляют анализаторы сигналов, функциональные и операционные
преобразователи, логические устройства и устройства памяти, за-
датчики, регуляторы, управляющие вычислительные устройства и
комплексы. В четвертую группу входят исполнительные устройства
(электрические, пневматические, гидравлические или комбиниро-
ванные исполнительные механизмы), усилители мощности, вспо-
могательные устройства к ним, а также устройства представления
информации.
Минимизация номенклатуры средств контроля и управления
реализуется на основе двух принципов: унификации устройств одно-
го функционального назначения на основе параметрического ряда
этих изделий и агрегатирования комплекса технических средств для
решения крупных функциональных задач. В настоящее время раз-
работаны параметрические ряды датчиков давления, расхода, уровня,
температуры и электроизмерительных приборов.
Агрегатные комплексы (АК) представляют собой совокупность
технических средств, организованных в виде функционально-
параметрических рядов, охватывающих требуемые диапазоны из-
мерения в различных условиях эксплуатации и обеспечивающих
выполнение всех функций в пределах заданного класса задач. Прин-
цип агрегатирования в ГСП применяют очень широко. Унифициро-
ванная базовая конструкция датчиков теплоэнергетических величин
с унифицированными пневматическим и электрическим сигналами
была создана всего из 600 наименований деталей, при этом было по-
лучено 136 типов и 863 модификации этих датчиков.
Заложенные в ГСП общие для всех изделий понятия совместимо-
сти можно сформулировать следующим образом. Информационная
совместимость — совокупность стандартизированных характери-
стик, обеспечивающих согласованность сигналов связи по видам и
номенклатуре, их информативным параметрам, уровням, пространст-
венно-временньш и логическим соотношениям и типу логики. Для
всех изделий ГСП приняты унифицированные сигналы связи и еди-
ные интерфейсы, которые представляют собой совокупность про-
граммных и аппаратных средств, обеспечивающих взаимодействие
устройств в системе. Конструктивная совместимость — совокуп-
ность свойств, обеспечивающих согласованность конструктивных
параметров и механическое сопряжение технических средств, а также
выполнение эргономических норм и эстетических требований при
совместном использовании. Эксплуатационная совместимость —
совокупность свойств, обеспечивающих работоспособность и надеж-
ность функционирования технических средств при совместном исполь-
зовании в производственных условиях, а также удобство обслуживания,
настройки и ремонта. Метрологическая совместимость — сово-
купность выбранных метрологических характеристик и свойств средств
измерений, обеспечивающих сопоставимость результатов измерений
и возможность расчета погрешности результатов измерений при ра-
боте технических средств в составе систем.
По роду и с п о л ь з у е м о й э н е р г и и носителя информаци-
онных сигналов устройства ГСП делятся на электрические, пневмати-
ческие, гидравлические, а также на устройства, работающие без ис-
пользования вспомогательной энергии, — приборы и регуляторы
прямого действия. Для того чтобы обеспечить совместную работу
устройств различных групп, применяют соответствующие преобразо-
ватели сигналов. В АСУ наиболее эффективно комбинированное при-
менение устройств различных групп. Достоинства электрических при-
боров общеизвестны. Это в первую очередь высокая чувствительность,
точность, быстродействие, удобство передачи, хранения и обработки
информации. Пневматические приборы обеспечивают повышенную
безопасность при применении в легко воспламеняемых и взрывоопас-
ных средах, высокую надежность в тяжелых условиях работы и агрес-
сивной атмосфере. Однако они уступают электронным приборам по
быстродействию, возможности передачи сигнала на большое расстоя-
ние. Гидравлические приборы позволяют получать точные перемещения
исполнительных механизмов и большие усилия.
Обмен информацией между техническими средствами ГСП реа-
лизуется при помощи сигналов связи и интерфейсов.
В АСУ наиболее распространены электрические сигналы связи,
достоинствами которых являются высокая скорость передачи сигна-
ла, низкая стоимость и доступность источников энергии, простота
прокладки линий связи. Пневматические сигналы применяют в
основном в нефтяной, химической и нефтехимической промышлен-
ности, где необходимо обеспечить взрывобезопасностъ и не требу-
ется высокое быстродействие. Гидравлические сигналы в основном
применяют в гидравлических следящих системах и устройствах управ-
ления гидравлическими исполнительными механизмами.
Информационные сигналы могут быть представлены в естествен-
ном или унифицированном виде. Естественным сигналом называ-
ется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диа-
пазон изменения которого определяются его физическими свойства-
ми и диапазоном изменения измеряемой величины. Обычно это
выходные сигналы измерительных преобразователей, чаще всего
электрические, которые можно передать на небольшое расстояние
(до нескольких метров). Таких сигналов в ГСП десять: линейное и
угловое перемещения, усилие, интервалы времени, постоянное и
переменное напряжение, активное и комплексное сопротивление,
электрическая емкость, частота. Вид носителя информации и диа-
пазон изменения унифицированного сигнала не зависят от измеряе-
мой величины и метода измерения. Обычно унифицированный
сигнал получают из естественного с помощью встроенных или внеш-
них нормирующих преобразователей.
Из электрических сигналов наиболее распространены унифици-
рованные сигналы постоянного тока и напряжения. Частотные сиг-
налы используют в телемеханической аппаратуре и комплексе техни-
ческих средств локальных информационно-управляющих систем.
Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП при-
ведены в приложении 4.
9.2. Электро- и пневмосиловые преобразователи
ГСП
Для преобразования измерительной информации в унифициро-
ванный сигнал в ГСП применяются преобразователи, работающие по
принципу силовой компенсации.
Электросиловой преобразователь ГСП (рис. 9.1) преобразует уси-
лие, развиваемое измерительным устройством ИУ, в электрический
сигнал (ток). В основу преобразования «сила—ток» положен принцип
силовой компенсации. Измеряемое усилие F преобразуется в пере-
мещение подвижного сердечника 4 индикатора рассогласования 5,
представляющего собой дифференциально-трансформаторный пре-
образователь, на первичную обмотку которого подается питание, а две
вторичные обмотки подключены к входу усилителя 6. Это усилие F
через подвижную опору 2 уравновешивается усилием обратной связи
Foc, развиваемым магнитоэлектрическим преобразователем, состоя-
щим из стержневого постоянного магнита 8 с П-образным магнито-
проводом, в зазоре которого расположена катушка 7, жестко закреп-
ленная на рычаге 9. Обмотка рамки соединена с выходом электрон-
ного усилителя 6. При изменении значения F равновесие рычажной
системы нарушается, что приводит к перемещению рычага 1 и укреп-
ленного на нем сердечника 4 из магнитомягкого материала. Переме-
щение сердечника 4 преобразуется индикатором перемещения 5 в
электрический сигнал, поступающий на вход электронного усилите-
ля 6, который его усиливает и преобразует в ток /ВЬ1Х, подаваемый в
линию связи и на вход магнитоэлектрического элемента обратной
связи. При протекании тока /вых по катушке 7 элемента обратной свя-
зи формируется усилие обратной связи Foc
где В — магнитная индукция; I — средняя длина витка катушки;
n — число витков катушки. Перемещение рычага 1 под действием
усилий F и Foc происходит до тех пор, пока не наступит состояние
равновесия:
где l1 и 1г — плечи рычагов соответственно от точки действия силы F
до неподвижной опоры и от точки действия силы Foc (подвижная
опора 2) до неподвижной опоры.
В состоянии равновесия выходной сигнал преобразователя
«сила—ток» связан с измеряемым усилием F зависимостью
Таким образом, постоянный ток /вых пропорционален усилию F,
а следовательно, и значению измеряемой физической величины. На-
стройка преобразователя на заданный предел измерения осуществля-
ется перемещением подвижной опоры 2. Начальное значение вы-
ходного сигнала преобразователя устанавливается натяжением пру-
жины 3 (корректора нуля).
Пневмосиловой преобразователь ГСП (рис. 9.2) преобразует уси-
лие, развиваемое измерительным устройством ИУ, в пневматический
сигнал. Измеряемая физическая величина (давление, температура,
расход и др.) преобразуется в измерительном устройстве ИУ в про-
порциональное усилие F, которое воздействует на рычаг 1 и связан-
ную с ним заслонку 4. Если заслонка прикрывает неподвижное
сопло 5, что соответствует увеличению силы F, то давление Р0 в
пневмоусилителе 6 увеличивается (при полностью закрытой заслон-
ке давление Р0 равно давлению питания Рпит). Воздух под этим дав-
лением поступает в сильфон обратной связи 7 и является выходным
сигналом Рвык преобразователя. Усилие обратной связи Foc через ры-
чаг 8 передается рычагу 1 и уравновешивает усилие F, воспринимае-
мое рычагом 1 от измерительного устройства ИУ. Таким образом,
положение заслонки 4 относительно сопла 5 и давление Рвых в про-
цессе измерения в каждый момент соответствует значению измеряе-
мой физической величины. При минимальном усилии F заслонка
полностью открывает сопло, полость пневмоусилителя сообщается с
атмосферой и давление Р{) становится равным барометрическому
давлению.
Пределы измерения входного усилия F настраиваются перемеще-
нием подвижной опоры 2. Начальное значение выходного сигнала
Р,шх устанавливается натяжением пружины 3 (корректора нуля).
Для состояния равновесия рычага 1 можно записать
где F, Foc — усилия, развиваемые измерительным устройством ИУ и
сильфоном обратной связи /соответственно; l1, l2 — плечи этих уси-
лий. Усилие Fnc может быть выражено как
где Рвых — давление выхода; Sэф — эффективная площадь сильфона
обратной связи 7.
Тогда давление выхода может быть представлено как
Диапазон изменения унифицированного пневматического сигна-
ла составляет 0,02... 0,1 МПа, поэтому при F= 0 с помощью натяже-
ния пружины 3 (корректора нуля) производится настройка нулевого
сигнала преобразователя. С учетом этой настройки окончательное
выражение для статической характеристики имеет вид
В пневмосиловом преобразователе можно изменять диапазон пре-
образования в пределах ± (10—20) % за счет изменения соотношения
l1 / l2 в результате перемещения точки опоры 2.
9.3. Нормирующие преобразователи ЭДС