Измерения и приборы. Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства. Лекция 7

1.

Первое высшее техническое учебное заведение России
Санкт-Петербургский горный университет императрицы
Екатерины II
Основы автоматизации
технологических процессов
нефтегазового производства
Лекция 7
Измерения и приборы
НИКИТИНА Л.Н., к.т.н., доцент кафедры АТПП
г. СанктПетербург
2024
1|38

2. Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи (ИП) –
элементы систем автоматики, предназначенные
для выработки сигнала измерительной
информации в форме, удобной для дальнейшего
преобразования, обработки, индикации,
передачи и (или) хранения.
ИП или входит в состав какого-либо
измерительного прибора (измерительной
установки, измерительной системы и др.) или
применяется вместе с каким-либо средством
измерений.
2|38

3. Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи подразделяют на
первичные,
нормирующие преобразователи и
вторичные.
3|38

4. Измерительные преобразователи

Первичные измерительные преобразователи
часто называют также датчиками либо чувствительными
элементами. В первичном преобразователе (датчике)
реализуются три процесса
· восприятие входной физической величины
· преобразование физической величины в промежуточную (или
же сразу же в выходную) величину той же или иной физической
природы,
· формирование электрического измерительного сигнала,
передаваемого вдоль измерительной цепи.
4|38

5. Измерительные преобразователи

Нормирующие измерительные
преобразователи преобразуют сигналы или
параметры сигналов в аналоговые унифицированные
сигналы тока и напряжения с нормированными
метрологическими характеристиками.
5|38

6. Измерительные преобразователи

Вторичный измерительный преобразователь –
средство измерений (устройство), с помощью которого
осуществляется преобразование информации о физической
величине, поступающей с первичного преобразователя (датчика) в
форму, доступную непосредственному восприятию и (или)
обеспечивающую возможность ее корректного использования любым
другим устройством.
Возможны различные типы преобразования – усиление,
нормирование, масштабирование, фильтрация, ограничение,
линеаризация и др.
6|38

7. Измерительные преобразователи

Измерительный прибор - средство измерений,
преобразующее информацию с первичного
преобразователя (датчика) или вторичного
преобразователя в форму, доступную для восприятия
наблюдателем.
Измерительная информация отображается
измерительным прибором в аналоговой или цифровой
форме.
7|38

8. Измерительные преобразователи

Измерительная установка - совокупность
функционально объединенных средств измерения и
вспомогательных устройств, расположенная в одном месте и
предназначенная для выработки сигналов измерительной
информации удобной для непосредственного восприятия и
дальнейшей обработки и хранения.
8|38

9. Измерительные преобразователи

Измерительно-информационная система –
совокупность средств измерений, а также средств обработки и
хранения информации, которые соединены между собой
каналами связи и предназначены для выработки измерительной
информации в форме, обеспечивающей ее отображение,
систематизацию и дальнейшее использование.
9|38

10. Измерительные преобразователи

Интегральные датчики – это
датчики, которые встраиваются в
микросхемы и широко
используются в электронике.
Датчики с встроенными
вычислительными средствами
принято называть
интеллектуальными.
Интеллектуальные датчики — это
адаптивные датчики, содержащие в себе
изменяемые по внешним сигналам
алгоритмы работы и параметры, и в
которых, кроме этого, реализована
функция метрологического самоконтроля
10|38

11. Классификация

По методу измерения датчики:
•Пассивные (параметрические), которые требуют для своей работы
внешний сигнал, называемой сигналом возбуждения. Такие
датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение
внешних сигналов.
•Активные (генераторные), которые не нуждаются во внешнем
источнике электроэнергии и в ответ на входное воздействие
генерируют электрический сигнал. Примерами таких датчиков
являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические
чувствительные элементы.
11|38

12. Классификация

По виду измерительных сигналов:
•Аналоговые - датчики, на выходе которых
вырабатывается аналоговый сигнал пропорционально изменению
входной величины (0-20 мА, 4-20 мА, 0-10В и др.).
•Цифровые - датчики, на выходе которых вырабатывается
цифровой код или импульсная последовательность
По среде передачи сигналов:
•Проводные
•Беспроводные
12|38

13. Классификация

По количеству входных величин:
•Одномерные
•Многомерные
По взаимодействию с источниками:
•Контактные
•Бесконтактные
13|38

14. Классификация

По принципу действия:
•Волоконно-оптические
•Оптические датчики (фотодатчики)
•Магнитоэлектрические датчики (на основе эффекта Холла)
•Пьезоэлектрические датчики
•Тензопреобразователи
•Ёмкостные датчики
•Потенциометрические датчики
•Индуктивные датчики
14|38

15. Классификация

По измеряемому параметру:
•Датчики давления
•Датчики расхода
•Датчики уровня
•Датчики температуры
•Датчики концентрации
•Датчики перемещения
•Датчики положения
•Датчики радиоактивности
•Датчики углового положения
•Датчики влажности
•Датчики вибрации
и др.
15|38

16. Характеристики

К основным характеристикам первичных
измерительных преобразователей (датчиков) относятся:
• входная величина, воспринимаемая и преобразуемая
датчиком;
• выходная величина, используемая для передачи
информации;
• статическая характеристика датчика;
• динамическая характеристика датчика;
• порог чувствительности;
• основная и дополнительные погрешности
16|38

17. Характеристики

входная величина, воспринимаемая и преобразуемая
датчиком
• электрическая
• неэлектрическая
Диапазон измеряемых (входных) значений –
динамический диапазон внешних воздействий,
которые датчик может воспринять и преобразовать,
не выходя за пределы допустимых погрешностей.
17|38

18. Характеристики

выходная величина, используемая для передачи
информации.
Унифицированные сигналы:
18|38

19. Характеристики

Статическая характеристика датчика — зависимость
выходной величины от входной в статическом режиме
(равновесном состоянии), когда каждому значению
входной величины соответствует определенное
значение выходной.
19|38

20. Характеристики

Динамическая характеристика датчика описывает во
времени поведение датчика при изменениях входной
величины в переходных режимах и определяется
внутренней структурой датчика и его элементов.
20|38

21. Характеристики

Порог чувствительности датчика — это минимальное
изменение входной величины, вызывающее заметно
различимое изменение выходного сигнала.
Диапазон измерений - это область
значений измеряемой величины,
для которой нормированы
допустимые погрешности прибора.
Диапазон показаний- это область
значений шкалы прибора,
ограниченная начальным и
конечным значениями шкалы.
21|38

22. Характеристики

Основная погрешность датчика — максимальная разность
между получаемой в нормальных эксплуатационных условиях
величиной выходного сигнала и его номинальным значением,
определяемым по статической характеристике для данной входной
величины.
Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в
относительных единицах.
22|38

23. Характеристики

Дополнительные погрешности датчика — погрешности,
вызываемые изменениями внешних условий по
сравнению с нормальными эксплуатационными
условиями. Выражаются обычно в процентах,
отнесенных к изменению вызвавшего их фактора
(например, 1,5 % на 10 0С).
Точность датчика - основная характеристика датчика,
определяющая погрешность его измерений.
23|38

24. Характеристики

Класс точности средства измерения - это обобщенная
характеристика, определенная границами допустимых и
дополнительных погрешностей, а также другими свойствами
средств измерения. Класс точности выражается в процентах
от верхнего предела измерения прибора
Класс точности описывает максимально возможную
погрешность прибора
24|38

25. Характеристики

Также могут учитываться:
•конструкция датчика,
•вес,
•габариты,
•стоимость,
•установочные размеры,
•условия окружающей среды,
•уровень взрывозащиты,
•рабочий диапазон температур –интервал окружающих
температур, в котором датчик работает с заданной
точностью.
25|38

26. Пример

26|38

27. Измерение температуры

В зависимости от типа используемого преобразователя
различают:
• термометры расширения,
• манометрические термометры,
• термометры сопротивления,
• термоэлектрические преобразователи
• пирометры излучения.
27|38

28. Измерение температуры

Термометры расширения
Принцип действия - зависимость объема рабочего
вещества от температуры.
Различают:
биметаллические,
стержневые (дилатометрические),
жидкостные (стеклянные).
28|38

29. Измерение температуры

Биметаллические
Металлические пластины прочно
соединяются между собой (в
основном путем сварки) и образуют
биметаллическую пружину, которая
при нагревании расширяется и
отклоняет стрелку
29|38

30. Измерение температуры

стержневые (дилатометрические)
Коэффициенты температурного
расширения пластинок выбираются
под нужный диапазон измерения.
Один конец конструкции прикреплен
к донышку латунного стакана,
другой к стрелочному механизму
циферблата
30|38

31. Измерение температуры

жидкостные (стеклянные)
31|38

32. Измерение температуры

Манометрические термометры
Принцип действия – зависимость
давления рабочего вещества от
температуры
32|38

33. Измерение температуры

Термометры сопротивления
Принцип действия - зависимость
электрического сопротивления металлов,
сплавов и полупроводниковых
материалов от температуры
33|38

34. Измерение температуры

Термоэлектрические преобразователи
(термопары)
Принцип действия основан на эффекте
Зеебека или, иначе, термоэлектрическом
эффекте.
Между соединёнными проводниками имеется
контактная разность потенциалов; если стыки
связанных в кольцо проводников находятся при
одинаковой температуре, сумма таких разностей
потенциалов равна нулю. Когда же стыки
разнородных проводников находятся при разных
температурах, разность потенциалов между
ними зависит от разности температур.
34|38

35. Измерение температуры

Пирометры излучения (бесконтактные)
Принцип действия основан на измерении мощности теплового
излучения объекта преимущественно в диапазонах
инфракрасного излучения и видимого света
Классификация:
• оптические
• радиационные
• цветовые
35|38

36. Измерение температуры

Оптические пирометры излучения
Позволяют визуально определять, как правило, без
использования специальных устройств, температуру нагретого
тела, путём сравнения его цвета с цветом эталонной
накаливаемой электрическим током металлической нити в
специальных измерительных лампах накаливания.
36|38

37. Измерение температуры

Радиационные пирометры
Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя
мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в
широкой спектральной полосе излучения, то такой пирометр
называют пирометром полного излучения.
37|38

38. Измерение температуры

Цветовые пирометры (пирометры спектрального
отношения)
позволяют измерить температуру объекта, основываясь на
результатах сравнения его теплового излучения в различных
участках спектра.
38|38