Главная База знаний "Allbest" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Система измерения давления в нефтепроводе

Система измерения давления в нефтепроводе

Информационно-измерительные системы на объектах трубопроводного транспорта. Классификация датчиков, единицы измерения давления. Защита манометров и преобразователей давления, исследование скважин. Функциональная схема интерфейса "токовая петля".

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 19.06.2011
Размер файла 917,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Аннотация
  • Условные сокращения
  • Введение
  • 1. Аналитический обзор литературы
  • 1.1 Общие понятия о датчиках
  • 1.2 Классификация датчиков
  • 1.3 Общие понятия о давлении
  • 1.4 Единицы измерения давления
  • 2. Обоснование выбранного направления работы
  • 2.1 Электрические манометры
  • 2.2 Сильфоны, мембраны и тонкие пластины
  • 2.3 Особенности монтажа манометров и преобразователей давления
  • 2.4 Защита манометров и преобразователей давления
  • 2.5 Особенности прокладки линии
  • 2.6 Приборы для проведения исследований скважин
  • 3. Расчетно-проектная часть
  • 3.1 Выбор интерфейса
  • 3.2 Функциональная схема системы
  • 3.3 Функциональная схема интерфейса "токовая петля"
  • 3.4 Электрические принципиальные схемы функциональных блоков интерфейса "токовая петля"
  • 3.4.1 Усилитель
  • 3.4.2 Выпрямитель прецизионный
  • 3.4.3 Фильтр низкочастотный
  • 3.4.4 Интегральный источник опорного напряжения (ИИОН)
  • 3.4.5 Интегральная микросхема (ИМС)
  • 4. Расчетно-аналитическая часть
  • 4.1 Принципиальная схема интерфейса "токовая петля"
  • 4.2 Датчики серии 3051
  • 4.2.1 Принцип действия
  • 4.3 Блок токовых входов и регулятора (ТВР)
  • 4.3.1 Функциональная схема ТВР
  • 4.3.2 Релейный регулятор
  • 4.3.3 ПИД регулятор
  • 4.4 Расчет надежности
  • 4.4.1 Основные понятия
  • 4.4.2 Формулировка понятия отказа
  • 4.4.3 Методика расчета
  • 4.4.4 Расчет надежности устройства
  • 5. Экономическая часть
  • 6. Безопасность и экологичность проекта
  • Заключение
  • Список литературы

Аннотация

В связи с постоянным увеличением добычи нефти растет сеть магистральных нефтепроводов - самого экономичного вида транспорта нефти. В настоящее время на объектах трубопроводного транспорта широко внедряются автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), в которые входят органически связанные между собой информационно - измерительные системы, учитывающие технологические параметры различных процессов, микропроцессорные средства вычислительной техники для обработки измерительной информации и системы телемеханики для передачи измерительной информации о состоянии технологического процесса в диспетчерские пункты и управления этим процессом. В качестве измерительной системы используется устройство измерения давления - датчики или преобразователи, в качестве обрабатывающей - блок токовых входов и регуляторов (ТВР) и в качестве информационной любое устройство специфицированное для отображение результата (например: К-2000). Все 3 подсистемы системы представляют собой информационно - измерительную систему.

Условные сокращения

КИП - Контрольно-измерительные приборы;

АСУ ТП - Автоматизированные системы управления технологическими процессами;

ГСП - Государственная система приборов;

ТВР - Блок токовых входов и регулятора;

СИ - Система измерения;

RS - Рекомендованный стандарт;

ИИОН - Интегральный источник опорного напряжения;

ИМС - Интегральная микросхема;

ДУс - Дифференциальный усилитель;

ИОУ - Источник опорного напряжения;

ФНЧ - Фильтр низкочастотный;

ЛАЧХ - Логарифмическая амплитудная частотная характеристика;

ОУ - Операционный усилитель;

ТКН - Температурный коэффициент напряжения;

ИОН - Источник опорного напряжения;

КОСС - Коэффициент ослабления синфазного сигнала;

КВНИП - Коэффициент влияния нестабильности источника питания;

АСУ - Автоматическая система управления;

ЭС - Электронный самописец;

СИЗ - Средства индивидуальной защиты;

ЧС - Чрезвычайные ситуации.

Введение

В связи с постоянным увеличением добычи нефти растет сеть магистральных нефтепроводов - самого экономичного вида транспорта нефти. Магистральный нефтепровод - это крупное сооружение, простирающееся обычно на сотни и даже тысячи километров.

Основными экономическими факторами эффективного использования трубопроводного транспорта являются широкая сеть трубопроводов; высокие темпы строительства и быстрый ввод нефтепроводов в эксплуатацию; сравнительно низкие эксплуатационные расходы при перекачке; возможность полной автоматизации и телемеханизации нефтепроводов. Указанные факторы позволяют быстро окупать большие капиталовложения в строительстве, разработку новых материалов, новую технику и технологию, автоматизацию и телемеханизацию трубопроводов в широких масштабах.

Для эффективной эксплуатации магистральных нефтепроводов необходима достоверная информация о процессе перекачиваемой нефти. Для осуществления этой цели на всем протяжении магистральных нефтепроводов устанавливают современное оборудование для наблюдения и контроля основных показателей качества перекачки нефти. К таким показателям относятся давление, температура, вибрации, уровень нефти в резервуаре и др.

Эти параметры и показатели определяют номенклатуру наиболее широко применяемых контрольно - измерительных приборов (КИП).

Благодаря развитой микропроцессорной технологии, данные устройства, называемые датчиками, входящие в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) или преобразователи, включающие в себя датчики и способные отображать результаты измерения в самых суровых условиях, а не только в диспетчерских пунктах, расположенные за сотни километров, могут работать без участия человека многие годы.

По характеру выполняемых функций контрольно - измерительные приборы могут быть разделены на показывающие и регистрирующие. Показывающие приборы отражают на соответствующей шкале или иным способом величины контролируемых параметров. Регистрирующие приборы помимо этого осуществляют автоматическую запись этих величин. Иногда указанные функции совмещаются с функциями сигнализации, регулирования и блокировки.

По способу применения различают стационарные и переносные контрольно-измерительные приборы. Стационарные приборы монтируют на определенном объекте. Они являются неотъемлемой частью технологического оснащении объекта. Переносные приборы используют при необходимости проведения каждого конкретного измерения.

Выпускаемые промышленностью приборы входят в государственную систему приборов (ГСП). Государственная система приборов основана на комплексе унифицированных блоков, приборов и устройств.

На промыслах применяют электрические, пневматические и гидравлические приборы, которые различаются по виду энергии, используемой для формирования сигнала. Имеются также приборы и устройства, не требующие вспомогательных источников энергии. В них для образования сигналов используют энергию контролируемой среды. Все электрические и пневматические сигналы стандартизированы. Измерительные устройства приборов ГСП состоят из первичных преобразователей (датчиков) и вторичных измерительных приборов. В датчиках измеряемая величина преобразуется в электрический, пневматический или гидравлический сигнал. Во вторичном измерительном приборе поступивший от датчика сигнал преобразуется обычно в механическое перемещение указателя и пишущего пера. В приборах без вспомогательной энергии действие контролируемой среды сразу преобразовывается в перемещение стрелки или в механическое перемещение пишущего пера.

На промыслах используют как механические показывающие и самопишущие приборы (простые по конструкции и удобные при обслуживании), так и электрические. Преимущества электрических приборов: возможность передачи показаний на большие расстояния, централизация и одновременность измерения многочисленных и различных по своей природе величин. Поэтому по способу отсчета измеряемой величины приборы можно разделить на показывающие и регистрирующие (записывающие) на месте установки прибора или дистанционно в диспетчерском пункте. В автоматизированных системах управления промыслом приборы при помощи специальных устройств сигнализируют (световой или звуковой сигнал), регулируют измеряемый параметр или отключают соответствующий участок технологической линии.

Практика показывает, что использование трубопровода для перекачки нефти по сравнению с железнодорожными перевозками дает ежегодную экономию эксплуатационных расходов, исчисляемую миллиардами рублей.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Общие понятия о датчиках

Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: "датчик - это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них".

Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охватывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка в револьвере. Окружающий нас мир можно разделить на две части: природа и объекты, созданные человеком. Естественные сенсоры, которыми снабжен любой живой организм, обычно реагируют на электрохимические сигналы, т.е. их физический принцип действия основывается на передаче ионов в нервных тканях. В системах же, созданных людьми, в передаче сигналов участвуют электроны. Датчики в таких системах "разговаривают" с устройствами, в которые они встроены, на одном языке. Язык общения здесь - электрические сигналы, в которых информация, передается при помощи электронов, а не ионов. Хотя в оптических системах связи информация передается через фотоны, но в данном случае будут рассматриваться датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волокна. Исходя из этого, перефразируем определение датчика:

Датчик - это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.

Термин внешние воздействия широко используется в литературе, поэтому его необходимо правильно воспринимать. Под внешним воздействием понимается количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которое необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В некоторой литературе для этих целей используется термин измеряемая величина, имеющий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент на количественной характеристике сенсорной функции.

Назначение датчиков - реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик - это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров.

Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика - это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит передача информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта.

Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером преобразователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустических волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Интересно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить к входу усилителя, он будет работать как микрофон - в этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Привод можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преобразует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Примером привода является электрический мотор, преобразующий электрическую энергию в механическую.

Рис.1.1 Датчик может состоять из нескольких преобразователей, е1, е2,. - различные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы является датчиком прямого действия

Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис.1.1). Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух преобразователей представляет собой химический датчик - устройство, вырабатывающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что в рассмотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим из преобразователя и еще одного датчика - датчика температуры. В структуру составных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, которые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. Примером таких физических явлений может служить фотоэффект.

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках, прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих устройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того, чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измерительных комплексов с множеством обратных связей.

Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически любую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, колебания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов - все это примеры внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназначения. Для особых условий применения может потребоваться разработка специальных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется, чтобы они реагировали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор движения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки.

1.2 Классификация датчиков

Системы классификации датчиков могут быть очень разными, от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.

Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сигнал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические чувствительные элементы. Большинство пассивных датчиков являются устройствами прямого действия. В отличие от пассивного собрата активный датчик для своей работы требует внешней энергии, называемой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала активный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. Поскольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних сигналов, их иногда называются параметрическими. Фактически, в активных датчиках происходит преобразование изменения их внутренних характеристик в электрические сигналы, т.е. определенные параметры активных датчиков модулируют сигналы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об измеряемой величине. Например, термисторы являются температурно-чувствительными резисторами. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопротивление может быть определено по изменению тока и/или падению напряжения на них. Значение сопротивления (в Омах) отражает измеряемую температуру, которая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных датчиков является резистивный тензодатчик, чье электрическое сопротивление зависит от величины его деформации. Для определения сопротивления датчика через него также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания.

В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолютные и относительные. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному. Примером абсолютного датчика является термистор. Его электрическое сопротивление напрямую зависит от абсолютной температуры по шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры - термопара - является относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является функцией градиента температуры на проволочках термопары. Поэтому определить конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только относительно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относительных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика соответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давлений, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давление относительно атмосферного давления, которое не является нулевым.

Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их характеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физическом принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из какого материала он изготовлен, какая область его применения. В таблицах 1.1-1.6, представлена схема такой классификации, которая является наиболее информативной.

Таблица 1.1 Характеристики

Чувствительность

Диапазон входных значений

Стабильность (краткосрочная и долговременная)

Разрешающая способность

Точность

Избирательность

Быстродействие

Окружающие условия

Характеристики при перегрузке

Линейность

Гистерезис

Мертвая зона

Эксплуатационный ресурс

Формат выходного сигнала

Стоимость, размеры, вес

Другие

Таблица 1.2 Материалы датчиков

Неорганические

Органические

Проводники

Диэлектрики

Полупроводники

Жидкости, газы, плазма

Биологические ткани

Другие

Таблица 1.3 Средства детектирования

Биологические

Механическое перемещение или волна

Химические

Радиоактивность, излучение

Электрические, магнитные или электромаг. волны

Другие

Тепло, температура

Таблица 1.4 Механизм преобразований

Физические

Химические

Термоэлектричество

Химические преобразования

Фотоэлектричество

Физические преобразования

Фотомагнетизм

Электрохимический процесс

Магнитоэлектричество

Спектроскопия

Электромагнетизм

Другие

Термоупругость

Биологические

Электроупругость

Биохимические преобразования

Термомагнетизм

Физические преобразования

Термооптика

Влияние на тестируемые организмы

Фотоупругость

Спектроскопия

Другие

Другие

Таблица 1.5 Области применения

Архитектура

Автомобильный транспорт

Гражданское строительство, проектирование

Домашнее применение

Распределение, торговля, финансы

Окружающая среда, метеорология, сред. безоп.

Энергетика

Средства информации, телекоммуникация

Здравоохранение, медицина

Судоходство

Оборонная промышленность

Отдых, развлечения

Научные исследования

Космос

Транспорт (исключая автомобильный)

Другие

Таблица 1.6 Внешние воздействия

Акустические

Отражающая способность, поглощение

Амплитуда волны, фаза, поляризация

Другие

Спектр

Механические

Скорость волны

Положение (координаты линейные и угловые)

Другие

Ускорение

Биологические

Сила

Биомасса (вид, концентрация, состояние)

Напряжение, давление

Другие

Деформация

Химические

Масса, плотность

Элементы (идентичность, концентрация, состояние)

Движение, момент

Другие

Скорость потока, расход массы

Электрические

Форма, шероховатость, ориентация

Заряд, ток

Жесткость, податливость

Потенциал, напряжение

Вязкость

Электрическое поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр)

Упорядоченность структуры, интеграция

Проводимость

Другие

Диэлектрическая проницаемость

Излучение

Другие

Тип

Магнитные

Энергия

Магнитное поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр)

Интенсивность

Магнитный поток

Другие

Проницаемость

Тепловые

Другие

Температура

Оптические

Поток

Амплитуда волны, фаза, поляризация, спектр

Тепло

Скорость волны

Теплопроводность

Коэффициент отражения

Другие

Излучающая способность

1.3 Общие понятия о давлении

Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление, действующее на столбик ртути, зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: "Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной". В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: "При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается".

В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности А:

. (1.1)

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

, (1.2)

где w - удельный вес среды, dh - изменение высоты, a dp - соответствующее ему изменение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

, (1.3)

где КЕ - кинетическая энергия, V - объем, С2 - среднее значение квадрата скоростей молекул, с - плотность, N - число молекул в единице объема, R - универсальная газовая постоянная, а T - абсолютная температура.

Избыточное давление - это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае - речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным - когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

1.4 Единицы измерения давления

В системе СИ единицей измерения давления является паскаль: 1Па=1Н/м2. Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:

1 Па = 1.45 х 10-4 фунт - сила / дюйм2, (1.4)

1 Па = 9.869 х 10-6 атм, (1.5)

1 Па = 7.5 х 10-4 см ртутного столба. (1.6)

Для грубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0.1 мм Н2О создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

1 атм = 760 торр, (1.6)

1 атм = 101.325 Па. (1.7)

В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как psi. Для перевода psi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:

1 psi = 6.89 х 103 Па, (1.8)

1 psi = 0.0703 атм. (1.9)

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.

2. Обоснование выбранного направления работы

2.1 Электрические манометры

Действие этих приборов основано на зависимости электрических параметров преобразователя давления от величины измеряемого давления. К ним относятся: пьезометрические манометры, в которых используется зависимость электрического заряда пьезоэлемента от измеряемого давления; манометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления; ионизационные манометры, действие которых базируется на зависимости силы тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разряженного газа, от измеряемого давления; а также радиоизотопные манометры, в которых для ионизации газа используется излучение радиоизотопных источников.

Использование современных приборов повышает надежность, точность измеряемых величин, увеличивает продолжительность работы. Использование достаточно точных элементов повышает точность устройства, увеличивает помехоустойчивость, а также другие показатели. Разработка таких устройств является важной частью проектирования.

2.2 Сильфоны, мембраны и тонкие пластины

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

Рис.2.1 А - стальной сильфон, используемый в датчиках давления (Servometer Corp., Cedar Grove, NJ), Б - металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение

На рис.2.1А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

На рис.2.1Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микро-технологий.

Рис.2.2 Деформация тонкой пластины (А) и мембраны (Б) под действием давления р

Мембрана - это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис.2.2Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления р отклонение центра мембраны zm и ее механическое напряжение уm являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м2):

, (2.1)

, (2.2)

где r - радиус мембраны, a g - ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно воспользоваться следующим соотношением:

, (2.3)

где р - плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g ?100, речь уже идет о тонкой пластине (рис.2.2А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.

Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с давлением:

, (2.4)

где Е - модуль Юнга (Н/м2), a v - коэффициент Пуассона. Максимальное механическое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления:

. (2.5)

В уравнениях предполагается, что разрабатываемый датчик давления будет измерять отклонения мембраны или пластины.

2.3 Особенности монтажа манометров и преобразователей давления

Показывающие, самопишущие и сигнализирующие манометры и преобразователи давления устанавливаются в вертикальном положении на специальных кронштейнах, стойках, щитах и пультах.

Для устранение и сглаживания пульсации измеряемого давления жидкостей, пара и газов на компрессорных станциях, в насосах, технологическом оборудовании и трубопроводах, приводящей к выходу из строя передаточный механизм приборов, используются следующие виды демпфирования (сглаживания): установка и штуцер манометра специального дросселя, позволяющего в зависимости от плотности измеряемой среды значительно уменьшить диаметр входного отверстия манометра от 2 до 0.1 мм; установка дополнительной емкости (2 - 5 л) между отбором измеряемого давления и манометром.

Место, используемое на технологическом оборудовании или трубопроводе для контроля давления, называется отбором (импульсом) давления; трасса, соединяющая отбор давления с манометром, называется импульсной линией. В зависимости от величины давления, агрессивности, пожароопасности и взрывоопасности измеряемых сред импульсные линии состоят из медных, стальных цельнотянутых или полихлорвиниловых трубок.

Диаметр импульсных трубок и их толщина при монтаже выбираются из расчета длины трассы и максимального рабочего давления измеряемой среды. Отечественной промышленностью выпускаются медные, стальные и полихлорвиниловые трубки следующих диаметров: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 14; 16 см при толщине стенки 0.5; 0.75; 1; 1.5; 2 мм.

Импульсные линии для измерения давления контролируемых сред прокладываются в строгом соответствии с монтажной схемой автоматизации объекта, где указаны длина трассы и полная характеристика импульсной линии (тип материала, сечение и толщина стенки).

Отборы (импульсы) давления обычно устанавливаются на прямолинейных участках трубопроводов и технологическом оборудовании с учетом изгибов, поворотов, колен и тройников, где возникает дополнительная погрешность измерений давления, вызванная центробежной силой измеряемого потока среды.

2.4 Защита манометров и преобразователей давления

При монтаже и установке приборов измерения давления предусматриваются: защита прибора от воздействия агрессивных сред, вибрации, высоких температур, пульсации давления; устройства сброса конденсата при измерении влажных газов; исключение возникновения газовых мешков в линиях при измерении давления жидкостей, а в газах - гидравлических пробок; исключение влияния динамического напора среды.

При измерении давления агрессивных, кристаллизирующихся сред, выделяющих осадки у места отбора импульса, устанавливаются мембранные разделители типа РМ. При этом внутреннее пространство манометра и разделителя заполняют рабочей жидкостью, которая служит для передачи давления от мембраны разделителя к манометру. При измерении давлений кислот и щелочей для защиты внутренней поверхности чувствительного элемента (датчика) манометра используют разделительные сосуды, внутреннюю полость которых заполняют водой, легкими минеральными маслами, этиловым спиртом, глицерином и т.д. Конструкция мембранного разделителя показана на рис.2.3.

Рис.2.3 Конструкция мембранного разделителя РМ:

1 - штуцер под отбор измеряемого давления, 2 - мембрана (нержавеющая сталь), 3 - дистиллированная вода, 4 - штуцер под измерительный прибор

Как правило, для целей безопасности эксплуатации и выполнения ремонтных работ на месте отбора давления устанавливается запорное устройство - вентиль, рассчитанный на максимальное рабочее давление; он имеет две основные характеристики - диаметр проходного сечения, выражаемый в миллиметрах, и максимальное давление среды. Эти характеристики маркируются на боковой поверхности вентиля. Например, вентиль имеет маркировку BC = PY = 16; DY = 6, которая расшифровывается: вентиль сильфонный, максимальное давление 16 кгс/см2, условный диаметр 6 мм.

2.5 Особенности прокладки линии

На всей трассе "отбор давления - импульсная линия - манометр" для создания необходимой плотности в соединениях используются прокладки, которые в зависимости от измеряемой среды и давления изготавливаются из паронита, прессшпана, алюминия или отожженной меди.

Все трубные проводки монтируют в соответствии с рабочими чертежами проекта по схемам внешних трубных проводок, в которых определены трасса, длина и сортамент труб.

Как одиночные, так и групповые трубные разводки вдоль трассы крепятся на специальных типовых стойках и кронштейнах, выполненных из полосовой или перфорированной стальной полосы.

Монтаж и прокладка трубных проводок является трудоемкой и ответственной операцией. Наличие утечек и неплотности в импульсных разветвленных трассах ведет к заниженным показаниям приборов, некачественному ведению технологического процесса.

Соединение медных и стальных трубок выполняется соответственно газовыми и электросварочными постами. Стыковая пайка медных трубок не получила большого применения, так как припой при пайке попадает внутрь трубок и забивает проходное сечение. Лучшим способом соединения трубок является соединение с помощью медных или стальных вставок (рис.2.4.).

Рис.2.4 Способы соединения медных и стальных трубок:

а - сварка после вальцовки: 1 - трубка, 2 - развальцованный участок, 3 - место сварки (пайки); б - с помощью вставки: 1 - трубка, 2 - вставка, 3 - место сварки (пайки)

Для монтажа медных и стальных трубок используются специальные вальцовки, позволяющие выполнить необходимый профиль соединительного конуса. Полиэтиленовые трубки и кабели из материала ТУМПХ применяются при давлении газа или жидкости до 0.6 МПа (6 кгс/см2). Соединение их с приборами осуществляется разогревом до 220 - 260 oC и последующей посадкой на требуемый штуцер прибора.

2.6 Приборы для проведения исследований скважин

Другие, не менее важные приборы для замера давления - приборы для определения забойных давлений, применяют глубинные приборы, которые могут быть установлены в любой точке скважины. Эти приборы спускают в скважину с помощью специальных лебедок на проволоке или кабеле, а также с колонной труб или со специальным инструментом. В зависимости от способа регистрации показании глубинные приборы подразделяются на следующие:

автономные, показания которых регистрируются непосредственно в приборе, спускаемом в скважину;

дистанционные, показания которых передаются по кабелю на поверхность, где регистрируются с помощью вторичных приборов.

Кроме приборов, предназначенных для измерения одной величины, созданы комплексные дистанционные приборы для измерения двух и более величин (давления, температуры, дебита). Комплексные глубинные приборы содержат несколько измерительных преобразователей (датчиков) и переключающее устройство, позволяющее поочередно подключать каждый датчик к общей измерительной схеме.

Конструктивно дистанционные приборы представляют собой два самостоятельных узла: глубинный прибор, спускаемый в скважину, и вторичных прибор, находящийся на поверхности. Связь между ними организована по кабелю, который часто является также тросом, несущим глубинный прибор, в котором размещены датчики и вспомогательные устройства, необходимые для процесса измерения.

Датчиком глубинного прибора является ряд измерительных преобразователей, обеспечивающих преобразование измеряемой величины в сигнал, пригодный для усиления и передачи по кабелю на поверхность. Датчик дистанционного прибора состоит из трех измерительных преобразователей: предварительного, основного и выходного.

Глубинные приборы для измерения давления по принципу действия подразделяют на следующие типы:

пружинные приборы, в конструкции которых в качестве упругого чувствительного элемента применена многовитковая геликсная пружина. Приборы этого типа называются геликсными глубинными манометрами;

пружинно-поршневые приборы, у которых давление воспринимается уплотненным поршнем, соединенным с винтовой цилиндрической пружиной растяжения. Различают пружинно - поршневые манометры с не вращающимся и вращающимся поршнями. Манометры с вращающимся поршнем имеют более высокий класс точности;

пневматические приборы, принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления и сжатого газа, заполняющего измерительную камеру прибора. Эти приборы получили название глубинных дифманометров, так как они регистрируют приращение давления от его начального значения.

Датчики давления размещены в общем герметичном корпусе глубинного прибора. Получение результатов измерения в цифровой форме упрощает их обработку. Измерение и регистрация производятся циклически; интервал времени между измерениями, равный 0.16; 0.5; 1; 2; 10; 30 или 60 мин, устанавливается переключателем.

Датчики давления обладают высокой надежностью и стабильностью, что обеспечивает возможность их длительной непрерывной эксплуатации. Диапазоны измерения давления прибора МТДС составляют 0 - 16; 0 - 25; 0 - 40 и 0 - 60 МП.

Для регистрации давления, так же важно знать глубину на которую, спущено устройство. Для этого применяют устройство отсчета глубины спускаемого датчика. Устройство отсчета глубины с датчиком устанавливают на устье скважины. В целях уменьшения погрешности измерения глубины на кабеле через равные расстояния наносятся магнитные метки. Момент прохождения магнитной метки регистрируется меткоуловителем и отмечается прибором на панели блока контроля.

3. Расчетно-проектная часть

3.1 Выбор интерфейса

Устройства первичной обработки сигналов датчиков с унифицированным выходным токовым сигналом 4…20 мА широко используются в промышленной автоматике. Популярность стандартного интерфейса типа "токовая петля" объясняется следующими факторами:

Питание схемы обработки сигнала датчика и передача выходного информационного токового сигнала устройства осуществляется по двум проводам, которые одновременно выполняют как функцию информационной линии связи, так и функцию обеспечения устройства электропитанием;

Представление информационного выходного сигнала в виде уровня постоянного тока и использование в качестве линии связи витой пары проводов обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи информации на значительные расстояния;

Паразитные параметры линии связи (омическое сопротивление, распределённые ёмкость и индуктивность) практически не влияют на точность передачи информационного сигнала.

Рис.3. Токовая петля

Важно понимать, что в интерфейсе "токовая петля" рис.3. непосредственное соединение с "глобальной землёй" имеет только приёмник сигнала. Схема преобразователя является "плавающей": потенциалы её узлов относительно "глобальной земли" изменяются при вариациях величин выходного тока Iвых преобразователя, сопротивления r двухпроводной линии связи и напряжения Eпит источника питания. Зависимость узловых напряжений преобразователя от текущих величин Iвых, r и Eпит затрудняет анализ схемы преобразователя. Анализ упрощается, если измерять узловые напряжения относительно некоторого (в общем случае любого) узла схемы преобразователя, который можно условно считать "локальной землёй". В приводимых функциональных и принципиальных схемах преобразователя для обозначения "локальной земли" используется общепринятый графический символ общего проводника схемы "_|_".

3.2 Функциональная схема системы

В приложение 1 изображена функциональная электрическая схема системы измерения давления в нефтепроводе. Схема состоит из следующих блоков: датчика давления, включающего в себя мембрану с двумя резонаторами, несколько преобразователей (в том числе преобразователь тока) и остальную электронику; блока токовых входов и регулятора, обеспечивающий выполнение функций ввода-вывода и измерения электрических величин; и устройства "ПК", в качестве которого может служить электронный самописец К - 2000.

В качестве связи между датчиком и ТВР используется промышленный стандарт линии связи с унифицированным сигналом 4 - 20 мА, а между ТВР и "ПК" используется стандарт RS - 485 или может также использоваться стандарт RS - 232. Так для соединения ТВР с персональным компьютером может осуществляться по стандарту RS - 485 только в составе комплектов ввода вывода или по стандарту RS - 232 в составе контроллеров К - 2000.

RS - 485 (RS - 485 - англ. Recommended Standard 485) - стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи.

В стандарте RS - 485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности - ноль.

RS - 232 (англ. Recommended Standard 232) - в телекоммуникациях, стандарт последовательной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE).

3.3 Функциональная схема интерфейса "токовая петля"

В приложение 2 представлена функциональная электрическая схема преобразователя тока.

Блок А1 - является датчиком, который вырабатывает, на входное давление, частоту, а далее напряжение от 0 до 20 мВ, поступающее на вход интерфейса "токовая петля".

Преобразователь тока или интерфейс "токовая петля" состоит из следующих функциональных блоков:

А2 - усилитель напряжения, который усиливает напряжение поступающее от датчика;

А3 - прецизионный выпрямитель, осуществляющий выпрямление положительных и отрицательных полуволн входного гармонического сигнала с усилителя;

А4 - низкочастотный выпрямитель, ослабляющий переменные составляющие;

А5 - интегральный источник опорного напряжения (ИИОН), использующийся для формирования напряжения +2.5 В, которое является искусственной средней точкой однополярного питающего напряжения +5 В;

Интегральная микросхема (ИМС), которая осуществляет преобразования тока напряжения.

Стабилизация напряжения питания указанных функциональных блоков осуществляется стабилитронами, входящим в состав ИИОН: DA2 и DA3 изображенные на принципиальной схеме в приложение 3. Стабилитрон DA3 используется для формирования напряжения +2,5 В, которое является искусственной средней точкой однополярного питающего напряжения +5 В. Из технической документации на ИМС типа XTR101AP следует, что синфазное напряжение на входах ДУс, которое отсчитывается относительно вывода 7, должно находиться в диапазоне 4…6 В. Синфазное напряжение VСН равно сумме падений напряжений на стабилитроне DA3 и резисторе Rвых.

. (3.1)

Для задания номинального синфазного напряжения VСН = 5 В необходимо использовать резистор Rвых = 1,25 кОм.

Ток покоя дифференциального усилителя (ДУс) I3, управляемый выходным напряжением ДУс, зависит от разности ДVвхду напряжений на входах ДУс и от сопротивления резистора Rпод (в качестве резистора Rпод используются резисторы R15 и R16 изображенные в приложение 3), подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы:

.(3.2.)

Разность напряжений входа ДУсДVвхду рассчитывается из разности напряжений на входе 4 и 3:

,(3.3)

при V4 = V3: ДVвхду = 0, I3 = 0.

Выходной ток микросхемы Iвых равен сумме токов источников I1, I2, I3 и тока Iптду потребления ДУс:

,(3.4)

При I1 = 1 мА, I2 = 1 мА, Iптду= 2 мА:

.(3.5)

Токи источников I1 и I2, в сумме 2 мА, используются для питания схем предварительной обработки выходного сигнала датчика тока А1: усилителя А2, выпрямителя А3, фильтра А4 для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и интегрального источника опорного напряжения (ИИОН) А5.

3.4 Электрические принципиальные схемы функциональных блоков интерфейса "токовая петля"

3.4.1 Усилитель

На рис.6.1 изображенная принципиальная электрическая схема смоделированного усилителя с датчиком. Электрическая схема отличается от схемы моделированной мною в среде моделирования MicroCap. Например, можно не моделировать конденсатор C1 представленный в приложение 3, т.к. он используется для сглаживания помех и не влияет на результаты. Схема усилителя с датчиком состоит из датчика, вырабатывающего напряжение, путем преобразования механической энергии в частоту, а затем в напряжение, интегрального операционного усилителя (ИОУ) типа AD8542, резисторов, обеспечивающих коэффициент усиления и конденсатора, использующийся для интегрирования входного сигнала во времени. Резистор R3 необходим, чтобы при отсутствии входного сигнала на выходе было нулевое напряжение. Источник сигнала (датчик) подключен через источник напряжения в 2.5 В и эти же 2.5 В подключены к не инвертирующему входу ОУ.

Коэффициент передачи усилителя на частоте 50 Гц может высчитываться и в децибелах (дБ) при VВх = 20 мВ, VВых = 730 мВ: K ? 31 дБ.

Усилитель сигнала датчика реализует передаточную функцию фильтра низких частот (ФНЧ) первого порядка. Изображение ЛАЧХ отображена на рис.6.2.

Усилитель предназначен для повышения мощности сигнала за счет энергии внешнего источника.

Усилитель характеризуется:

а) Коэффициентом усиления;

б) Инерционностью;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6.1 Схема моделированного усилителя в среде моделирования MicroCap.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой схемой на рис.6.1 усилитель подключен инверсным входом к источнику входного сигнала, следовательно выходной сигнал будет инвертирован после усиления. Подадим на инвертирующий вход ОУ сам входной сигнал с постоянным напряжением в 2.5 В с ИИОН, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения, а на не инвертирующий - сигнал равный +2.5 В с ИИОН. Коэффициент усиления будет определяться резистивным делителем напряжения, состоящий из резисторов R2 и R3, соотношением сопротивлений резисторов входного и обратной связи:

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены