Ориентированный расчёт метрологических характеристик измерительного канала ИИС по метрологическим характеристикам его элемента

Расчет метрологических характеристик ИК ИИС и АСУТП осуществляется на этапе разработки этих систем для обоснования выбора средств измерения (элементов канала) поскольку данные по конкретным условиям отсутствуют.

На этапе проектирования уточняются данные по условиям эксплуатации, и производится уточненный расчет метрологических характеристик каналов.

На этапе опытно – промышленной эксплуатации осуществляется метрологическая эксплуатация и первичная поверка метрологических свойств каналов с целью уточнения их метрологических характеристик, их нормирования и назначения межповерочных интервалов.

Техническая структура измерительного канала:

· термометр сопротивления ТСПУ 014 (ПИП);

· измерительный преобразователь ИПМ 0399/М0 (ИП_i);

· дистанционная линия связи (ДЛС);

· аналого – цифровой преобразователь (АЦП);

· процессор.

Исходные данные:

ТСПУ 014

Предел приведенной основной погрешности - γ₁ = ±0,5%;

ИПМ 0399/М0

Предел приведенной основной погрешности – γ₀₂ = ±0,2%; влияние изменения температуры окружающей среды γ = ±0,05% на 10^оС; рабочая температура окружающей среды +35 ^оС; номинальная температура среды (20±2) ^оС.

ДЛС

Предел допускаемой относительной погрешности δ₂=±0,5%.

АЦП

Класс точности 0,3/0,2, т.е. значения допускаемой относительной погрешности составляет для с=0,3% и для d=0,2%; функция влияния для данного типа АЦП - δ = ±0,2% на 10^оС.

Процессор

Предел допускаемой относительной погрешности δ₄=±0,1%.

Вычисление результирующей погрешности измерительного канала при X=X_k

Все погрешности элементов измерительного канала выражаются в единой приведенной форме:

1. ТСП 0907

Предел приведенной основной погрешности - γ₀₁ = δ₀₁=±0,5%.

При измерении ТСПУ необходимо учитывать дополнительную погрешность его самонагрева от протекающего тока:

γ_j1=5,77/t=5,77/35=0,16%.

Общая погрешность ТСПУ 014:

γ₀₁=±(0,5+0,16)=0,66%.

2. НП 002.1П.42.3

Предел приведенной основной погрешности – γ₀₂ = δ₀₂=±0,2%

Дополнительная погрешность от изменения температуры:

γ_j2=±0,05*(35-20)=±0,75%.

Общая погрешность ИПМ 0399/М0:

γ₀₂=±(0,2+0,75)=0,95%.

3. ДЛС

Предел приведенной основной погрешности γ₀₃= δ₀₃=±0,5%.

4. АЦП

Предел приведенной основной погрешности γ₀₄= ±С=±0,3%.

5. Процессор

Предел приведенной основной погрешности γ₀₅= δ₀₅=±0,1%.

Погрешность ИК измерения температуры в реальных условиях составит:

a)

(как сумма независимых элементов);

b)

(как сумма зависимых элементов);

Т.о. суммарная результирующая погрешность канала в реальных условиях эксплуатации находится в диапазоне:

 

 

Конкретное значение погрешности ИК определяется в период опытно – промышленной эксплуатации системы.

Вычисление результирующей погрешности измерительного канала при X=X_k/2

Все погрешности элементов измерительного канала выражаются в единой приведенной форме:

1. ТСП 0907

Предел приведенной основной погрешности - γ₀₁ = δ₀₁=±0,5%.

При измерении ТСПУ необходимо учитывать дополнительную погрешность его самонагрева от протекающего тока:

γ_j1=5,77/t=5,77/17,5=0,33%.

Общая погрешность ТСПУ 014:

γ₀₁=±(0,5+0,33)=0,83%.

2. НП 002.1П.42.3

Предел приведенной основной погрешности – γ₀₂ = δ₀₂=±0,2%

Дополнительная погрешность от изменения температуры:

γ_j2=±0,05*(35-20)=±0,75%.

Общая погрешность ИПМ 0399/М0:

γ₀₂=±(0,2+0,75)=0,95%.

3. ДЛС

Предел приведенной основной погрешности γ₀₃= δ₀₃=±0,5%.

4. АЦП

Предел приведенной основной погрешности γ₀₄= ±(С+d)=±0,5%.

5. Процессор

Предел приведенной основной погрешности δ₀₄=±0,1%.

Погрешность ИК измерения температуры в реальных условиях составит:

c)

(как сумма независимых элементов);

d)

(как сумма зависимых элементов);

Т.о. суммарная результирующая погрешность канала в реальных условиях эксплуатации находится в диапазоне:

 

 

Конкретное значение погрешности ИК определяется в период опытно – промышленной эксплуатации системы.

 

4. Реферат На тему: «Концентратомеры механических смесей»

 

В целлюлозно-бумажном производстве важнейшей характеристикой перерабатываемых веществ является концентрация твердых частиц, сухих веществ, щепы, целлюлозы и различных наполнителей бумаги или картона, как правило, в водных растворах. Задачи измерения механических концентраций в растворах многообразны и сложны. При этом их решения безотлагательны, так как контроль качества технологических процессов и их управление для увеличения производительности и улучшения качества промежуточной и конечной продукции невозможно осуществлять без анализа названных технологических параметров. В первую очередь это относится к измерению концентрации всевозможных волокнистых суспензий, которые образуются в водных растворах при производстве и переработке древесной, целлюлозной и бумажной масс в процессе производства щепы, при промывке, сортировании, отбелке, размоле и. т.д. Определяющую роль концентрация бумажной массы играет для ритмичной, бездефектной работы бумаго- и картоноделательных машин. Поэтому измерение концентрации массы особенно важно в массоподготовительных производствах.

Основной характеристикой варочных растворов также служит концентрация абсолютно сухих веществ, знание которой необходимо для их производства и на протяжении всего цикла регенерации.

Концентрация массы (водной суспензии) определяется содержанием в ней абсолютно сухого вещества в массовых процентах. Если в массе содержатся только волокна, то концентрация зависит от их содержания. Концентрация массы ниже 1 % называется слабой, выше — средней, а после 6 % — высокой.

Как известно, масса представляет собой неньютоновую жидкость, поведение которой определяется ее реологией. При слабой концентрации волокнистая суспензия может оказывать меньшее сопротивление, чем вода. При переходе к средней концентрации она становится псевдопластическим веществом с негомогенной структурой, но благодаря свойству препятствовать турбулентности такая масса хорошо поддается определению концентрации по измерению в ней трения (кажущейся вязкости). Масса высокой концентрации неоднородна, образует пучки и характеризуется повышенной турбулентностью, ее измерение чрезвычайно затруднительно.

Непосредственно концентрация массы может быть определена только с помощью лабораторного анализа, которым пользуются и для градуировки и для поверки технических концентратомеров. Так как концентрация массы в производственных условиях в емкостях и трубопроводах неоднородна, то к ее определению необходимо подходить, как к случайной величине, т. е. отбирать несколько проб (до 10 и чем больше, тем лучше) и находить среднее значение (математическое ожидание) концентрации для конкретного анализа. Массу для пробы надо хорошо размешивать и отбор делать из разных объемов. Подробно последовательность рекомендуемых операций при лабораторном анализе для поверки концентратомеров механических смесей излагается в работе. Однако получаемая при этом абсолютная погрешность анализа, составляющая ±0,1—0,3%, в настоящее время метрологически не обеспечивает поверки погрешностей технических концентратомеров, что является одной из проблем измерения концентрации массы.

Существующие технические приборы для измерения концентрации массы основаны на косвенных измерениях. Они имеют ограниченные диапазоны определяемых концентраций и существенные дополнительные погрешности из-за влияния сопутствующих переменных параметров массы и условий, при которых она находится в производственном процессе. К ним относятся: состав массы (качественный, фракционный и композиционный), температура, давление, скорость и характер потока массы, рН среды. В некоторых случаях смолы и клей могут способствовать загрязнению поверхностей преобразователей.

В настоящее время абсолютное большинство применяемых производственных приборов для измерения средней концентрации массы (1—6%) основаны на эффекте измерения сил трения;

при движении массы по открытым и закрытым трубопроводам возникает сопротивление ее движению, связанное с трением массы о стенки трубопроводов и между слоями волокон и приводящее к потере напора в трубопроводе, которая служит мерой концентрации массы;

в массу различными способами помещают вращающийся чувствительный элемент (роторный датчик) разнообразных конструктивных модификаций, который при своем движении испытывает сопротивление, зависящее от поверхностного и внутреннего трения массы и определяющее тормозной момент при заданной круговой скорости вращения датчика; этот момент характеризует концентрацию массы;

в движущуюся по напорным трубопроводам массу погружают неподвижный чувствительный элемент (тело специальной конфигурации) — датчик обтекания, на который действуют силы, связанные с поверхностным и внутренним трением в массе и являющиеся мерой ее концентрации;

при перемещении массы обычно высокой концентрации с помощью энергетического оборудования (насосов, мешалок) используется зависимость нагрузки приводных двигателей от поверхностного и внутреннего трения массных суспензий, которое определяется концентрацией волокна.

Так как само значение составляющих трения зависит не только от концентрации массы, но и от других характеристик массы и условий ее существования, то показания первичных измерительных преобразователей концентрации массы в большей или меньшей мере определяются составом, температурой, давлением и скоростью массы.

На рис.1 приведены схемы устройств первичных измерительных преобразователей — чувствительных элементов — датчиков концентрации массы роторного типа для открытых емкостей (рис. 1, а) и для напорных трубопроводов (рис. 1,б), а также датчиков обтекания (рис. 1, в).

Рис.1. Схемы устройств первичных измерительных преобразователей

 

Датчики устанавливают таким образом, чтобы на их показания не влияла скорость движения массы и ее колебания. С этой целью используются специальные буферные емкости, самотечные линии, отводы от напорных трубопроводов, специальные расширения массопроводов и цилиндрические ниши в стенках массопроводов (в последних для стабилизации скорости движения массы применяются специальные крыльчатки.

Структурно (рис.2) известные датчики для измерения концентрации массы состоят из первичных измерительных преобразователей ПИП, преобразующих концентрацию в механический сигнал: тормозной момент М, действующий на вал электродвигателя, или усилие F, создаваемое на чувствительных элементах.

Рис.2. Структурная схема датчика для измерения концентрации массы

 

Измерительные преобразователи ИП₂, ИП₃ предназначены для получения измерительных сигналов, удобных для дистанционной передачи и представления в измерительных приборах. Измерительные преобразователи ИП₂ служат для преобразования сигналов с ПИП в перемещение , осуществляемое системой рычажных передач. В качестве ИП₃ используются дифференциально – трансформаторные преобразователи с выходным сигналом в виде электрического напряжения переменного тока U, работающие в комплекте с дифференциально – трансформаторными вторичными приборами типа КПД, КСД.

В настоящее время к ПИП подключаются стандартные пневмосиловые или электросиловые уравновешивающие преобразователи, которые кроме ИП₂ содержат измерительные преобразователи ИП₃ и обратные преобразователи ОП₄, уравновешивающие измеряемое усилие F и осуществляющие его преобразование в стандартные пневматические или электрические аналоговые сигналы. В этом комплекте используются измерительные приборы ГСП типа ПВ или КПУ и КСУ соответственно.

 

Рис.3. Микроволновой измеритель концентрации «АКВАР-1401»

 

Микроволновой измеритель концентрации "АКВАР-1401" предназначен для непрерывного контроля концентрации целлюлозных и макулатурных волокон в технологических потоках массы и поддержания с высокой точностью заданного значения концентрации в системах АСУТП бумажного производства.

Принцип действия устройства основан на прецизионном измерении комплексной диэлектрической проницаемости водных суспензий целлюлозных и макулатурных волокон в диапазоне сверхвысоких частот. Физический принцип измерения и алгоритм расчета концентрации разработан специалистами фирмы "АКВАР-СИСТЕМ" и является патентно чистым.

Электронная часть устройства реализована с использованием микропроцессора и современной элементной базы. Измеренное значение концентрации отображается на цифровом табло.

С целью интеграции устройства с системами АСУТП, а также автономными регуляторами, оно оснащено цифровым интерфейсом типа RS-232 (скорость обмена до 57,6 Кбод) и аналоговым интерфейсом типа токовый выход. Калибровка устройства осуществляется фирмой-изготовителем. Разработанное программное обеспечение позволяет оперативно учитывать условия конкретного производства и вносить соответствующие корректировки в работу измерителя концентрации.

Микроволновой измеритель концентрации "АКВАР-1401" нашёл широкое применение на предприятиях ЦБП.

Особенности и преимущества:

· Широкий диапазон измеряемых концентраций;

· Высокая точность и повторяемость измерений;

· Отсутствие механических деталей, препятствующих движению суспензии;

· Некритичность к засорению рабочих поверхностей датчика;

· Независимость показаний измерителя от изменения давления в трубопроводе и турбулентности потока;

· Отсутствие зависимости показаний от сортности, помола, цвета и химических добавок в целлюлозных и макулатурных волокнах.

Технические характеристики:

• Диапазон измерения концентрации 1-6%

• Повторяемость ±0.02% (абс.)

• Чувствительность 0.005% (абс.)

• Время измерения 4 сек

• Температура суспензии +10...+ 50 °С

• Температура окружающей среды +10...+40 °С

• Интерфейс:

- цифровой RS-232C

- аналоговый токовый выход

• Диаметр трубопровода, мм 150

• Высота датчика 400 мм

• Давление в трубопроводе 1.5-6.0 бар

• Напряжение питания 220 В (50 Гц)

• Потребляемая мощность, не более 20 Вт

• Вес, не более 15 кг

 

Список литературы

1) Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы в целлюлозно-бумажной промышленности: Учебник для вузов. – М.: Лесн. пром-сть, 1981.-367с.

2) Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. Правила 50-213-80. – М.: Изд-во стандартов, 1982.

3) Технологические измерения и приборы ЦБП: Методические указания для выполнения курсового проекта. Часть 2./Сост. И.В. Бондаренкова, И.С. Ковчин, Г.А. Кондрашкова, А.В. Черникова; СПбГТУ РП. СПб., 2002, 25 с.