Правила выбора датчиков для систем автоматизации

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра ______________________________

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

КР.      

По дисциплине ______________________________________________________

Тема _______________________________________________________________

2014 

1 Правила выбора  датчиков для систем автоматизации

Существует множество параметров, которые необходимо учитывать при выборе датчиков. Один и тот же прибор может совершенно по-разному себя вести в различных условиях: хороший по всем параметрам датчик может оказаться бесполезным, если не правильно подобраны условия эксплуатации.

При выборе датчика необходимо учитывать следующее:

Где планируется установить? Установка датчика в емкость (резервуар), в трубопровод, в выносную колонку, внутри технологического оборудования (печь, колонна, дымоход, холодильник).

Диапазон измерений датчика— диапазон значений давления, температуры, расхода или уровня, при подаче которого датчик будет осуществлять измерения и линейное преобразование измеренного значения в унифицированный выходной сигнал.

Температура измеряемой среды ‒ очень важный параметр при выборе датчиков. При подборе датчика, необходимо чтобы температура процесса не выходила за пределы допустимого рабочего температурного диапазона.

Тип соединения датчика с процессом — тип механического включения датчика в процесс, для осуществления измерений. Наиболее популярными соединениями для датчиков общепромышленного исполнения являются резьбовые соединения G1/2″ DIN 16288 и M20x1,5. При подборе датчика тип соединения необходимо уточнять для обеспечения удобства монтажа в существующую систему без осуществления дополнительных работ (сварка, нарезка другого типа резьбы и т. п.)

При подборе датчиков следует учитывать следующие параметры окружающей среды:

‒ температура окружающей среды;

‒ влажность окружающей среды;

‒ наличие агрессивных сред.

Все параметры окружающей среды должны находиться в допустимых пределах для выбираемого датчика.

В случае наличия в окружающей среде агрессивных веществ, многие производители датчиков предлагают специальные исполнения, устойчивые к химическим воздействиям.

При работе в условиях повышенной влажности при частых перепадах температуры датчики многих производителей сталкиваются с проблемой коррозии сенсора или электроники. Основная причина коррозии — образование конденсата.

Тип выходного сигнала датчика. Самым распространенным аналоговым выходным сигналом для датчиков является унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.

Практически всегда 4 мА соответствуют нижнему значению диапазона измерений, а 20 мА – верхнему, но иногда встречается реверсивный сигнал. Также в промышленности встречаются датчики с другими типами аналогового выходного сигнала, например: 0…1 В, 0…10 В, 0…20 мА, 0…5 мА, 0…5 В.

Требуемая точность измерений. При расчете погрешности измерений датчиков, необходимо учитывать, что помимо основной погрешности существует дополнительная погрешность.

Основная погрешность – значение погрешности датчика относительно диапазона измерений, заявленная заводом изготовителем для нормальных условий эксплуатации. Как правило, под нормальными условиями эксплуатации понимают следующие условия: температура окружающей и рабочей среды – 20 °C; нормальное атмосферное давление; отсутствие турбулентности потока или других явлений, в месте установки датчика, способных повлиять на показания.

Дополнительная погрешность — значение погрешности, вызванное отклонением условий эксплуатации от нормальных, ввиду особенностей данного конкретного применения. Одной из основных составляющих дополнительной погрешности является температурная погрешность, которая указывается в технической документации к датчикам и может быть рассчитана для конкретного значения температуры рабочей среды.

Также дополнительную погрешность может вызывать турбулентность потока измеряемой среды, изменение плотности среды при гидростатическом измерении уровня, динамические нагрузки на оборудование во время перемещения в пространстве (судна, транспорт и т. д.) и другие возможные факторы.

При расчете погрешности измерительной системы в целом нужно также учитывать класс точности измерительного прибора — индикатора.

При подборе необходимо уточнять следующие особенности применения:

Требования по гигиене: пищевая и фармацевтическая промышленность предъявляют высокие требования к датчикам по санитарности как в месте контакта с продуктом, так и снаружи (как правило, исполнение полностью из нержавеющей стали).

Наличие сертификатов: зачастую, для различных применений, помимо обычного сертификата соответствия ГОСТ РК (или декларации соответствия), требуются дополнительные сертификаты. Например, для систем учета необходим сертификат об утверждении типа средств измерения; для применений датчиков давления в пищевой промышленности требуется заключение СЭС, для применений на опасных производствах требуется разрешение КазПромбезопасностии т. д.;

Требования по взрывозащите: на взрывоопасных производствах (например, нефтегазовая, химическая, спиртовая промышленности) используются датчики во взрывобезопасном исполнении. Наибольшее распространение для датчиков получили 2 вида взрывозащиты — искробезопасные цепи Ex ia и взрывонепронициаемая оболочка Ex d, выбор которого обуславливается спецификой применения.;

Тип измеряемой среды: если измеряемая среда является вязкой, агрессивной, слаботекучей или обладает какими-либо другими специфичными свойствами (например, наличие частиц грязи), эти особенности также необходимо учесть.

Наличие внешних воздействий: наличие вибрации, электромагнитных полей или других механических или электрических воздействий.

2 Выбор датчиков для системы автоматизации

Для управления сложными техническими объектами (процессами) с динамично изменяющимся состоянием нужны распределенные компьютерные системы, способные решать задачи в высоком темпе реального времени. При создании распределенных систем акцент делается на развитие и применение распараллеливаемых интеллектуальных методов управления, распределенных вычислений и интеллектуальной обработки информации. Сегодня это касается и низового уровня управления. Интеллектуальными узлами систем управления являются уже не только промышленные компьютеры и контроллеры, ими становятся также датчики и исполнительные устройства.

Основные функциональные возможности устройсива, которые можно отнести к классу интеллектуальных датчиков (ИД).

Компенсация основных и дополнительных погрешностей. Выделяются три вида компенсации:

‒ компенсация нелинейности;

‒ компенсация влияний температуры;

‒ компенсация изменений во времени, вызванная деградацией первичного преобразователя.

При этом, как правило, удается в несколько раз уменьшить основную и дополнительную погрешность. Интеллектуальный датчик способен самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою работу в целях достижения максимальной эффективности.

Оценка достоверности данных. Возможность обрабатывать данные не только выходного сигнала, но и дополнительных параметров первичного преобразователя, позволяет проводить непрерывную диагностику, отслеживая неисправности и делая выводы о достоверности измерений. В диагностику входит контроль стабильности объекта и состояния сенсора, а также отслеживание слишком слабого сигнала, предупреждающего об опасности полного отказа датчика. Пользователи получают возможность автоматического обнаружения обрывов провода, коротких замыканий, неверных настроек, отказов датчиков и модулей. Алгоритмы диагностики первичных преобразователей, естественно, зависят от их конструкции.

Возможность передачи данных на цифровой интерфейс связи. Сокращение аналоговых линий и передача информации в цифровой форме позволяют обеспечить независимость метрологических характеристик канала измерения от внешних линий связи и устройств передачи данных. Такой подход устраняет необходимость в аналого-цифровых преобразователях на уровне контроллера, облегчает реализацию гальванической развязки в каждом канале. Одной из привлекательных характеристик интеллектуальных датчиков является возможность подключать к одному кабелю (последовательному каналу) несколько датчиков и свести к минимуму количество проводных линий связи, а в итоге добиться большей надежности системы автоматики, сократить сроки ее разработки, упростить обслуживание.

Расширенные возможности связи. Важнейшим аспектом внедрения интеллектуальных датчиков является расширение интерфейса. Применение цифровых интерфейсов позволяет обеспечивать двухстороннюю связь датчика с пользователем для гибкого управления: перенастройки, калибровки, конфигурирования и диагностики на расстоянии. Удаленное конфигурирование включает в себя такие функции, как настройка на объект, выбор режима. Возможность перенастройки приводят к унификации устройств, к тому, что несколько разных датчиков заменяются прибором одной модели, что дает преимущество как в их производстве, так и в стоимости обслуживания.

Осуществление всего комплекса цифровой обработки сигнала первичного преобразователя. Это позволяет передавать сигнал непосредственно в физических величинах, т. е. в удобном представлении, использовать управляемый объем выборки для уменьшения влияния случайных составляющих, оценивать временные и спектральные составляющие сигнала первичного преобразователя, осуществлять цифровую фильтрацию с управляемой полосой частот, выбирать оптимальное окно быстрого преобразования Фурье при спектральном анализе.

Приведем примеры существующих и по-настоящему функционально насыщенных датчиков. Перечисление широкого спектра их возможностей должно продемонстрировать, что дает применение микропроцессорной техники на этом уровне систем автоматизации.

В настоящее время к рассматриваемому классу устройств можно отнести массовый расходомер Promass 80F (рисунок 1). Расходомеры семейства Promass предоставляют возможность выполнять измерения различных параметров процесса (масса/плотность/температура) для различных условий процесса во время измерения.

Концепция преобразователей Proline:

• ‒ модульность компонентов и единый принцип управления повышают эффективность;

• ‒ функции регистрации данных для повышения качества управления процессом.

Сенсоры Promass, испытанные и проверенные в более 100000 применений, предлагают следующие преимущества:

• ‒ компактное исполнение;

• ‒ стойкость к вибрации за счет сбалансированной 2х-трубной измерительной системы;

• ‒ устойчивый к внешним воздействиям корпус.

• Простой монтаж без необходимости подготовки входных и выходных прямых участков

Кориолисовый принцип измерения расхода не зависит от таких физических свойств жидкости, как вязкость и плотность.

Высокоточное измерение расхода жидкости и газа, например, нефтепродуктов, смазочных материалов, горючих материалов, сжиденного газа, растворителей, пищевых продуктов и сжатого природного газа (CNG).

Рабочая температура жидкости до +350 °C.

Рабочее давление до 100 бар.

Измерение массового расхода до 2200 т/ч.

Сертификаты на взрывобезопасное применение: ATEX, FM, CSA, TIIS.

Выходной сигнал для системы управления: HART, PROFIBUS PA

Нормы безопасности: Вторичная защитная оболочка (до 40 бар), Pressure Equipment Directive, SIL-2.

Рисунок 1 - Массовый расходомер Promass 80F

В таблице 1, расписаны технические характеристики Промасса для измерения различных веществ.

Таблица 1 - Технические характеристики

Для измерения уровня подходит радарный уровнемер Micropilot FMR230 (рисунок 2) компании Endress+Hauser. Этот радар достойная альтернатива датчикам дифференциального давления и поплавковым уровнемерам. 2х-проводная схема подключения сокращает расходы на электроподключение и позволяет легко внедрить данные приборы в существующие системы. Micropilot М FMR 230 предназначен для непрерывного бесконтактного измерения уровня жидкостей, паст и суспензий. Процесс измерения не зависит от изменения среды, температуры, наличия  паро-газовых слоев. Уровнемер FMR 230  особенно удобен для измерения уровня в буферных и технологических емкостях. Его технические характеристики приведены в таблице 2.

• Основные преимущества:

• ‒ бесконтактный метод измерения (измерение практически не зависит от свойств измеряемого продукта);

• ‒ простое управление на месте с помощью меню буквенно-цифрового дисплея;

• ‒ простой ввод в эксплуатацию, ведение документации и диагностика - все это выполняется через программное обеспечение tof tool / fieldcare.

• ‒ частотный диапазон -  ~10 ггц

• ‒ термостойкость (применим в процессах с рабочей температурой до +200 °c, и до +400 °c с высокотемпературном исполнением антенны);

• ‒ используется в защитных системах (защита от перелива) с требованиями по функциональной безопасности SIL 2 в соответствии с IEC 61508/IEC 61511-1.

Рисунок 2 - Micropilot М FMR 230

Таблица 2 - Технические характеристики

3 Монтаж датчиков систем автоматизации

Монтаж систем автоматизации должен производиться в соответствии с рабочей документацией с учетом требований предприятий-изготовителей приборов, средств автоматизации, агрегатных и вычислительных комплексов, предусмотренных техническими условиями или инструкциями по эксплуатации этого оборудования.

Работы по монтажу следует выполнять индустриальным методом с использованием средств малой механизации, механизированного и электрифицированного инструмента и приспособлений, сокращающих применение ручного труда.

Работы по монтажу систем автоматизации должны осуществляться в две стадии (этапа):

На первой стадии следует выполнять: заготовку монтажных конструкций, узлов и блоков, элементов электропроводок и их укрупнительную сборку вне зоны монтажа; проверку наличия закладных конструкций, проемов, отверстий в строительных конструкциях и элементах зданий, закладных конструкций и отборных устройств на технологическом оборудовании и трубопроводах, наличия заземляющей сети; закладку в сооружаемые фундаменты, стены, полы и перекрытия труб и глухих коробов для скрытых проводок; разметку трасс и установку опорных и несущих конструкций для электрических и трубных проводок, исполнительных механизмов, приборов.

На второй стадии необходимо выполнять: прокладку трубных и электрических проводок по установленным конструкциям, установку щитов, стативов, пультов, приборов и средств автоматизации, подключение к ним трубных и электрических проводок, индивидуальные испытания.

Смонтированные приборы и средства автоматизации электрической ветви Государственной системы приборов (ГСП), щиты и пульты, конструкции, электрические и трубные проводки, подлежащие заземлению согласно рабочей документации, должны быть присоединены к контуру заземления. При наличии требований предприятий-изготовителей средства агрегатных и вычислительных комплексов должны быть присоединены к контуру специального заземления.

Разметку мест установки конструкций для приборов и средств автоматизации следует выполнять в соответствии с рабочей документацией.

При разметке должны учитываться следующие требования:

‒ при установке конструкций не должны быть нарушены скрытые проводки, прочность и огнестойкость строительных конструкций (оснований);

‒ должна быть исключена возможность механического повреждения смонтированных приборов и средств автоматизации.

Монтаж коробов и лотков должен выполняться укрупненными блоками, собранными в монтажно-заготовительных мастерских.

Крепление коробов и лотков к опорным конструкциям и соединение их между собой должно быть болтовое или на сварке. При болтовом соединении должна быть обеспечена плотность соединения коробов и лотков между собой и с опорными конструкциями, а также обеспечена надежность электрического контакта. При соединении сваркой не допускается прожог коробов и лотков. Расположение коробов после их установки должно исключить возможность скопления в них влаги.

С целью повышения уровня индустриализации монтажных работ следует, как правило, применять индустриальные помещения автоматики, включая комплектные операторские помещения (КОП) и комплектные пункты датчиков (КПД). Индустриальные помещения автоматики должны поставляться на объект со смонтированными щитами, стативами, пультами, трубными и электрическими проводками.

В монтаж должны приниматься приборы и средства автоматизации, проверенные с оформлением соответствующих протоколов.

Размещение приборов и средств автоматизации и их взаимное расположение должны производиться по рабочей документации. Их монтаж должен обеспечить точность измерений, свободный доступ к приборам и к их запорным и настроечным устройствам (кранам, вентилям, переключателям, рукояткам настройки и т. п.).

В местах установки приборов и средств автоматизации, малодоступных для монтажа и эксплуатационного обслуживания, должно быть до начала монтажа закончено сооружение лестниц, колодцев и площадок в соответствии с рабочей документацией.

Приборы и средства автоматизации должны устанавливаться при температуре окружающего воздуха и относительной влажности, оговоренных в монтажно-эксплуатационных инструкциях предприятий-изготовителей.

Крепление приборов и средств автоматизации к металлическим конструкциям (щитам, стативам, стендам и т. п.) должно осуществляться способами, предусмотренными конструкцией приборов и средств автоматизации и деталями, входящими в их комплект.

При наличии вибраций в местах установки приборов резьбовые крепежные детали должны иметь приспособления, исключающие самопроизвольное их отвинчивание (пружинные шайбы, контргайки, шплинты и т. п.).

Отверстия приборов и средств автоматизации, предназначенные для присоединения трубных и электрических проводок, должны оставаться заглушенными до момента подключения проводок.

Корпуса приборов и средств автоматизации должны быть заземлены.

Чувствительные элементы жидкостных термометров, термосигнализаторов, манометрических термометров, преобразователей термоэлектрических (термопар), термопреобразователей сопротивления должны, как правило, располагаться в центре потока измеряемой среды. При давлении свыше 6 МПа (60 кгс/см2) и скорости потока пара 40 м/с и воды 5 м/с глубина погружения чувствительных элементов в измеряемую среду (от внутренней стенки трубопровода) должна быть не более 135 мм.

Рабочие части поверхностных преобразователей термоэлектрических (термопар) и термопреобразователей сопротивления должны плотно прилегать к контролируемой поверхности. Перед установкой этих приборов место соприкосновения их с трубопроводами и оборудованием должно быть очищено от окалины и зачищено до металлического блеска.

Преобразователи термоэлектрические (термопары) в фарфоровой арматуре допускается погружать в зону высоких температур на длину фарфоровой защитной трубки.

Приборы для измерения давления пара или жидкости по возможности должны быть установлены на одном уровне с местом отбора давления; если это требование невыполнимо, рабочей документацией должна быть определена постоянная поправка к показаниям прибора.

Жидкостные U-образные манометры устанавливаются строго вертикально. Жидкость, заполняющая манометр, должна быть незагрязнена и не должна содержать воздушных пузырьков. Пружинные манометры (вакуумметры) должны устанавливаться в вертикальном положении.

При пьезометрическом измерении уровня открытый конец измерительной трубки должен быть установлен ниже минимального измеряемого уровня. Давление газа или воздуха в измерительной трубке должно обеспечить проход газа (воздуха) через трубку при максимальном уровне жидкости. Расход газа или воздуха в пьезометрических уровнемерах должен быть отрегулирован на величину, обеспечивающую покрытие всех потерь, утечек и требуемое быстродействие системы измерения.

Монтаж приборов для физико-химического анализа и их отборных устройств должен производиться в строгом соответствии с требованиями инструкций предприятий-изготовителей приборов.