Визуализация величин

§ Текстово-цифровой метод. Измеряемая температура выражается в градусах на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.

§ Графический метод. Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.

Вне зависимости от классификации, пирометры могут снабжаться дополнительными источниками питания, а также средствами передачи информации и связи скомпьютером или специализированными устройствами (обычно через шину RS-232).

21. Уровнемер

Прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Уровнемеры так же называютдатчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня — это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. К наиболее распространённым методам измерения уровня, которые позволяют преобразовать значение уровня в электрическую величину и передавать её значение в системы АСУ ТП относятся:

§ контактные методы:

§ волноводный;

§ поплавковый,

§ ёмкостной,

§ гидростатический,

§ буйковый;

§ бесконтактные методы:

§ зондирование звуком,

§ зондирование электромагнитным излучением,

§ зондирование радиационным излучением.

С развитием измерительной техники, каждый метод приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.

При выборе уровнемера следует учитывать:

· Плотность вещества

· Агрессивность среды

· Равномерность распределения плотности (для смесей)

22. Поплавковый уровнемер

В поплавковом уровнемере чувствительный элемент – поплавок, плавающий на поверхности жидкости. Поплавок перемещается вверх или вниз вместе с перемещением контролируемого уровня жидкости. Его перемещение передается на показывающее устройство или на преобразователь перемещения в электрический сигнал. Наиболее простым типом поплавковых приборов является прибор тросового типа. Поплавок через гибкий трос связан с вращающимся шкивом. Для уравновешивания всей системы на конце троса закреплен противовес.

С изменением уровня контролируемой жидкости происходит перемещение поплавка и троса. Для сигнализации минимального и максимального уровней на тросе устанавливаются два ограничителя уровня, которые при достижении заданного уровня перекидывают коромысло, что приводит к переключению сигнальных электрических контактов. Перемещением ограничителей уровня можно изменять диапазон сигнализации поплавкового прибора.

Приборы тросового типа нельзя применять в резервуарах, находящихся под избыточным давлением, при низких температурах или в пожаро- и взрывоопасных жидкостях.

23. Устройство индуктивного датчика

В большинстве случаев перемещение поплавка, обусловленное изменением уровня жидкости, передается на индуктивный датчик, как показано на рисунке 1. Благодаря отсутствию сальника и связанного с ним трения достигается более точная индикация уровня, чем это имеет место при других электромеханических методах. Для точных измерений необходима установка механических направляющих движений поплавка и ферромагнитного сердечника индуктивного датчика.

На рисунке показан уровнемер, разработанный специально для резервуаров высокого давления. Трубчатый поплавок (в емкостях высокого давления сплошной алюминиевый стержень) свободно подвешен на пружине. В зависимости от уровня жидкости в резервуаре на стрежень в больше или меньшей степени действует подъемная сила, вследствие чего пружина сжимается и соответственно укорачивается. При этом важно, чтобы стержень не погружался полностью. Поплавок с помощью стержня из немагнитного материала соединен с плунжером соленоидного дифференциально-трансформаторного датчика. Плунжер перемещается в прочной герметичной гильзе из отпущенной легированной стали с содержанием 0,2% ванадия. Гильза расположена в передающей системе, содержащей первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка этой схемы дифференциального трансформатора состоит из двух встречно включенных полуобмоток.

24. Классификация устройств для слежения за уровнем

Приборы для непрерывного слежения за уровнем принято называть уровнемерами, приборы для сигнализации о предельных значениях уровня - сигнализаторами уровня.

Все приборы для измерения уровня (уровнемеры и сигнализаторы) можно классифицировать по принципу действия, в основу которого берутся различные физические методы.

· Визуальные приборы измерения уровня (указатели уровня) действие которых основано на принципе сообщающихся сосудов.

· Поплавковые приборы измерения уровня - в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности контролируемой среды.

· Буйковые приборы измерения уровня - в которых для измерения уровня используется массивное тело (буёк), частично погружаемое в контролируемую среду.

· Гидростатические приборы измерения уровня - действие которых основано на измерении гидростатического давления столба жидкости.

· Емкостные приборы измерения уровня - действие которых основано на том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.

· Ультразвуковые приборы измерения уровня - действие которых основано на принципе отражения звуковых волн от поверхности контролируемой среды.

· Радарные (микроволновые) приборы измерения уровня - в основу действия которых заложен принцип отражения электромагнитного сигнала высокой частоты от поверхности контролируемой среды.

· Радиоизотопные приборы измерения уровня - основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня контролируемой среды.

Использование всего многообразия методов измерения позволяет контролировать уровень самых разных сред: жидких (чистых, загрязнённых), пульп, вязких, твёрдых сыпучих различной дисперсности.

При выборе типа уровнемера приходится также учитывать и другие физические и химические свойства контролируемой среды, которые могут повлиять на ход процесса контроля или на работоспособность самого прибора: температура, давление, абразивные свойства, взрывоопасность, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и другие.

25. Сигнализаторы уровня

являются наиболее распространёнными устройствами автоматики. Принцип действия этих устройств весьма разнообразен и определяется как физическими свойствами среды, так и поставленными задачами. В промышленности для измерения и сигнализации уровня различных жидкостей в ёмкостях используют различные способы. Измерители и сигнализаторы уровня могут быть радарного типа, когда от прибора к поверхности жидкости посылается ультразвуковой сигнал или электромагнитная волна микроволнового диапазона и по времени задержки отражённой волны вычисляется дистанция. Часто применяются поплавковые датчики - при всплытии поплавка срабатывает контактный или бесконтактный сигнализатор. Иногда уровень жидкости в ёмкости определяют по давлению на входе датчика, вваренного в её нижнюю часть. Очень распространены вибрационные датчики, которые представляют собой генератор и резонаторы камертонного типа, которые погружаются в измеряемую среду. При резком изменении добротности резонансной системы прибор выдаёт соответствующий сигнал. Имеются системы, основанные на измерении затухания ультразвуковой волны, распространяющейся по стенке ёмкости от излучателя, располагаемого на уровне уставки сигнализации до приёмника, расположенного по горизонтали на некотором расстоянии. Бывают даже радиоизотопные приборы, просвечивающие стенку ёмкости, на противоположной стороне которой располагается счётчик Гейгера. Достаточно распространены ёмкостные сигнализаторы, представляющие собой контрольные электроды, покрытые изолирующим слоем, например, фторопластом. Когда жидкость покрывает электроды, подключенные к генератору, увеличивается электрическая ёмкость электрода относительно стенок резервуара или рядом расположенного вспомогательного электрода, изменение которой измеряет вторичный прибор. Для сигнализации уровня электропроводных неагрессивных жидкостей чаще всего применяют контрольные электроды, представляющие собой прут из нержавеющей стали или иного материала, не подверженного окислению, закреплённый на специальном изоляторе - зонде, который имеет крепёжные элементы. Если в измеряемой ёмкости отсутствуют механические устройства для перемешивания и измеряемая жидкость находится в спокойном состоянии - контрольные электроды устанавливают сверху. Для сигнализации нормативных уровней электроды выполняют разной длины, с расчётом, чтобы по достижению заданного уровня жидкость коснулась нижней части электрода. Для исключения эффекта поляризации - процесса электролиза на поверхности электродов, приводящего к образованию плохо проводящей корки - на контрольные электроды должен подаваться переменный ток с высокой степенью симметрии, необязательно синусоидальный. Простейшие сигнализаторы, использующие принцип измерения сопротивления постоянному току между контрольным электродом и вспомогательным, схемы которых часто публикуются в радиолюбительской литературе, практически неработоспособны из -за быстрого увеличения сопротивления в цепи электродов по причине поляризации, что приводит к отказу сигнализатора.

Обычно уровень переменного напряжения на контрольных электродах составляет около 6 В, а электронная схема срабатывает при сопротивлении в цепи контрольного электрода ниже 3 кОм. Схема сигнализатора должна иметь симметричный вход для обоих полуволн контрольного напряжения. Напряжение, выделенное на измерительном резисторе, выпрямляется и поступает на вход порогового элемента, имеющего гистерезисную характеристику, на выходе которого подключается реле или бесконтактный коммутационный элемент.

Сигнализаторы уровня чаще всего применяются как составная часть системы автоматики, контролирующей ёмкость. Выходы сигнализаторов подключают к управляющей схеме или к устройствам дистанционной световой и звуковой сигнализации.

Так как в быту чаще всего приходится контролировать уровень воды, а схемы с использованием контрольных электродов наиболее просты и доступны для самостоятельного повторения - в данном разделе будут рассмотрены только такие системы. Автор сайта разработал несколько десятков подобных схем, в основном для применения на промышленных предприятиях, но многие конструкции прекрасно подходят для сигнализации уровня в накопительных баках, скважинах, бассейнах, дренажных приямках и т.д. Первая простейшая конструкция не содержит активных элементов. В схеме используются чувствительные реле постоянного тока, имеющие гистерезис характеристики тока срабатывания и отпускания, что предотвращает хаотичное срабатывание в момент касания водой контрольного электрода. Диодные мосты позволяют подавать на электроды переменный ток. Электролитические конденсаторы предотвращают ложное срабатывание реле при волнении поверхности воды, обеспечивая небольшую задержку на включение и отключение реле. Выходы реле подключают к дистанционным световым и звуковым оповещателям или к устройствам автоматического наполнения ёмкости. Схемы таких устройств автоматики заполнения ёмкости с помощью насосов, расположенных в скважинах или колодцах, а также от водопроводной сети с помощью электромагнитных клапанов описаны в разделе" Электронная автоматика водоснабжения". Промышленные схемы сигнализаторов уровня обычно содержат три независимых канала контроля, которые чаще всего используются для управления насосами по двум рабочим уровням - верхнему и нижнему, а третий канал используется для контроля аварийного уровня - нижнего или верхнего в зависимости от назначения ёмкости и алгоритма работы управляющего устройства.

26. Буйковые уровнемеры

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на широко известном физическом явле­нии, описанном в законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которая пропорциональна весу вы­тесненной телом жидкости.

Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом буйковых уровнемеров. Примером материала буйка может служить нержавеющая сталь.

Буек располагается в вертикальном поло­жении и должен быть частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается таким образом, чтобы она была при­ближена к максимальному измеряемому уровню.

По закону Архимеда вес буйка в жидкости должен изменяется пропорционально изменению уров­ня этой жидкости.

На рис. 1. приведена измерительная схема буйкового уровнемера.

Действует уровнемер следующим образом. Когда уровень жидкости в емкости меньше или равен начальному уровню h₀ (зона нечувствительности уровнемера), измерительная штанга (2), на которую под­вешен буек (1), находится в равновесии. Так как момент М₁, создаваемый ве­сом буйка G₁, уравновешивается моментом М₂, создаваемым противовесом (4).

Если уровень контролируемой среды становится выше h₀ (например, h), то часть буйка длиной (h - h₀) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьша­ется на некоторую величину, определяемую как

F =ρgS(h − h₀).

Следовательно, уменьшается и момент М₁, создаваемый буйком на штан­ге (2).

Так как момент М₂ становится больше момента М₁, штанга поворачивается вокруг точ­ки (О)по часовой стрелке и перемещает рычаг (3) измерительного преоб­разователя (5).

Электрический или пневматический измерительный преобразователь фор­мирует выходной сигнал.

Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг (2), не станет равной нулю.

Уплотнительная мембрана (6) служит для герметизации технологической емкости при установке в ней чувст­вительного элемента.

Как вариант, буек может быть установлен в специальной выносной камере вне технологической емкости.

Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м.

Стандартный ряд значений верхнего предела измерения: 250; 400; 600; 1000; 1600; 2500; 4000; 6000; 8000; 10000 мм.

27. Емкостной метод

простой, дешевый и надежен. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый - среда не должна налипать и образовывать отложения на чувтвительном элементе. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред (размер гранул – до 5 мм.). Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является – однородность среды, среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения чувтвительного элемента.

Емкостной датчик уровня NivoCAP

Чувтвительный элемент емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае проводящей жидкости чувтвительный элемент покрывается изолятором, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости конденсатора, преобразуемой в выходной электрический сигнал.

В настоящее время разработан широкий спектр модификаций емкостноых уровнемеров предусматривающих применение в различных средах, в том числе агрессивных взрывоопасных, в различных температурных и климатических условиях при разных физических состояниях контролируемой среды. Существуют модификация работающие непрерывно или дискретно.

29. Принцип работы аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровый преобразователь (АЦП) представляют собой устройство, которое преобразует входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и др. цифровыми устройствами.

Схема параллельного АЦП реализует метод непосредственного считывания. В таких схемах входной сигнал одновременно квантуется с помощью набора компараторов включенных параллельно входному источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя напряжения в соответствии с используемой шкалой квантования. При подаче на такой набор компараторов входного сигнала на выходах последних будет иметь место проквантованный сигнал, представленный в параллельном коде, который с помощью кодирующей логики преобразуется в двоичный. Каждое из опорных напряжений подается на неинвертирующие входы компараторов, а на инверсные входы подается входное напряжение. При подаче U_вх переключатся те компараторы, где U_вх > U_оп, при этом выходные сигналы этих компараторов принимают единичное значение. Выходы компараторов подключаются к шифратору приоритета, который преобразует этот m-разрядный параллельный единичный код в n-разрядный параллельный двоичный код.

30. Принцип работы цифроаналогового преобразователя

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. В принципе ЦАП выполняют функцию восстановления аналогового сигнала из цифрового. Они широко используются для управления различного рода регуляторами, графопостроителями и др. устройствами непрерывного действия при помощи ЭВМ.

Принцип работы ЦАП:

Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи а_i подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов b_i, величина которых пропорциональна весу соответствующего двоичного разряда.

Наибольшее распространение в настоящее время получили микроэлектронные ЦАП (делятся на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием).

Преобразователи с прямым преобразованием обычно параллельного типа. В состав простейшей схемы ЦАП обычно входят источники опорного напряжения, резистивные или активные делители напряжения, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицы R – 2R, называемые также резистивными сетками или аттенюаторами. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников, производится операционным усилителем (ОУ).

38. Ферродинамический механизм

В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого материала. Наличие магнитопровода значительно увеличивает магнитное поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.

Рис. 3.18.

В общем случае ИМ механизм включает в себя неподвижную катушку (катушку возбуждения), подвижную часть и магнитопровод. На рис. 3.18 показан один из вариантов конструктивного исполнения ферродинамического ИМ. Магнитная цепь по устройству близка к магнитной цепи магнитоэлектрического ИМ, в котором постоянный магнит заменен электромагнитом. Вращающий момент ферродинамического ИМ возникает в результате взаимодействия подвижной катушки 1 с током и потока, создаваемого неподвижной катушкой 2. Подвижная часть соединяется с указателем 4. При протекании тока I₁ по неподвижной катушке и работе на линейном участке кривой намагничивания материала магнитопровода 3 индукцию в рабочем зазоре можно найти как

, (3.32)

где К₁ – коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения ИМ.

Учитывая, что подвижная часть будет реагировать, вследствие своей инерционности, на среднее значение вращающего момента можно написать

, (3.33)

где S₂, n₂ и I₂ - площадь, число витков и ток подвижной катушки; I₁ и I₂ - действующие значения токов в неподвижной и подвижной катушке; cos(I₁, I₂) – косинус угла между векторами токов I₁ и I₂.

Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для статического равновесия

, (3.34)

α – угол отклонения подвижной части; К = К₁S₂n₂.

39. Измерительная система

Это — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях [27].

Эти определения отражают основные свойства ИИС:

- ИИС является средством измерений;

- ИИС предназначена для автоматического сбора и обработки больших массивов измерительной информации;

- ИИС построена по системному принципу, при котором отдельные компоненты, образующие систему, обладают конструктивной и функциональной автономностью.

Характерной особенностью ИИС является обязательное наличие в их составе вычислительных устройств, используемых для сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации, что недоступно для других видов средств измерений.

Обобщая приведенные выше определения, кратко можно определить ИИС как разновидность средств измерений, построенных по системному принципу и предназначенных для автоматизированного сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации

43. Информационно-измерительные системы

Это – информационные системы, состоящие из информационных средств, включающие средства измерительных вспомогательных средств, в которых измеряемая информация преобразуется в другие виды информации.

Функции ИИС:

· Получение исходной измерительной информации от первичных измерительных преобразователей (ПИП)

· Преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью

· Сопоставление сигналов измерительной информации с размерами общепринятых единиц измерения

По области применения ИИС делят на группы:

· Для научных исследований

· Для испытания и контроля сложных изделий

· Для управления технологическими процессами

По способу комплектования:

· Агрегатированные

· Неагрегатированные, состоят из компонентов специально разработанных для конкретных систем

По структурным признакам:

· Параллельно-последовательная структура (циклически коммутированная, много датчиков)

· Система параллельной структуры, включающей выходные сигналы, которые преобразуются функционально единым преобразователем, и обрабатываются в одном вычислительном устройстве

52. Формат данных харт протокола

53. Построение измерительного канала передачи харт протокола.