Интелигентни трансмитери за налягане

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2011

Интелигентни трансмитери за наляганеИнтелигентни трансмитери за наляганеИнтелигентни трансмитери за налягане

Конструктивни особености на съвременни процесни трансмитери

В предходния брой на сп. Инженеринг ревю бяха разгледани едни от най-разпространените методи за измерване на налягане, използвани при разработването на интелигентни датчици - пиезоелектрически, индуктивен, тензометричен и капацитивен. В настоящия брой продължаваме темата с представяне на конструктивните особености и принципа на работа на интелигентните трансмитери за налягане.

Конструктивни особености
Функционално, а и конструктивно, смарттрансмитерът се състои от два основни блока - измервателен и обработващ (процесорен). Функционална схема на интелигентен трансмитер за налягане е показана на фиг. 1.
Измервателният блок включва чувствителни елементи (пиезоелектрични, индуктивни, тензорезистивни, капацитивни) и електроника за първична обработка. Разположената в измервателния блок електроника съдържа температурен сензор, памет и модул за обработка на сигналите от чувствителните елементи. В паметта на измервателния блок се съхранява информация, въведена от производителя - например сериен номер и калибрационни настройки на блока. Сигналите от измервателния блок се подават към обработващия блок, където микропроцесорът извършва линеаризация, температурна компенсация, настройка на обхвата, демпфериране, диагностика, управление и комуникация. Благодарение на изчислителните ресурси на микропроцесорния модул на смарттрансмитерите, сигналът от измервателния блок се преобразува в цифров вид, приведен към избраните скала и измервателен обхват. В него се компенсират нелинейностите в характеристиките на чувствителния елемент и температурната му зависимост, с оглед постигане на висока точност на измерването. Смарттехнологията дава възможност на потребителя да избере обхвата на трансмитера в зависимост от необходимата точност при визуализация и контрол на процесния параметър. Коефициентът на мащабиране на някои серии трансмитери достига до 200:1. Следва да се има предвид, че промяната на измервателния обхват оказва влияние върху точността. В приложения, в които се измерва процесната характеристика ниво, е възможно да се въведе плътността на флуида и изходният сигнал да е пропорционален на нивото във физични единици. При решаване на инженерни задачи за измерване на разход, изходният аналогов сигнал би могъл да е линеен или квадратичен на измерваното диференциално налягане. Микропроцесорният модул изпълнява самодиагностични функции като следи състоянието на сензора и на изходния сигнал. При наличие на грешки, чрез интерфейса той генерира съобщение за повреда или друг статус, коeто се изписва на дисплея или се предава към управляващата система посредством програмното осигуряване. Някои от възможните съобщения са: за отказ на микропроцесорната или сензорната платка; че чувствителният елемент не изпълнява функциите за самотестване; микропроцесорният блок не получава информация от чувствителния елемент или температурата в сензорния блок; аналоговият изход не се обновява; несъвместимост на чувствителния елемент и програмата на микропроцесорния блок; измерваното налягане е извън обхвата на сензора; сигналът от сензора е извън обхвата на скалата; температурата е извън обхвата на датчика за температура.
В паметта се съхраняват стойностите на настройка и конфигурационните параметри. Цифрово-аналоговият преобразувател изработва стандартен токов сигнал 4 - 20 mA. Блокът за цифрова комуникация преобразува вътрешния цифров сигнал в стандартен за външна комуникация (HART, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA, DeviceNet и т. н.) с други устройства или системи за управление. Някои производители предлагат LCD индикатор и клавиатурен блок, чрез които може да се конфигурира трансмитерът на място и да се визуализират както налягането и температурата, така и диагностични съобщения. При някои модели измервателният и обработващият блок са капсуловани в общ корпус с цел постигане на по-висока точност. Сред тенденциите в развитието на смарттрансмитерите е прилагането на модулна конструкция, която осигурява гъвкави решения за различни приложения на трансмитера и дава възможност за лесен ремонт или подмяна на дефектирал модул.

Осигуряване на надеждна и продължителна работа
Преди да се пристъпи към монтаж на трансмитера е необходимо да се провери дали неговото изпълнение отговаря на техническите изисквания и на изискванията за безопасност на мястото на монтаж, като се обърне внимание на следните параметри: измервателен обхват, устойчивост на претоварване по налягане, температура, взривозащита, работно напрежение, устойчивост на уплътнителните материали, съответствие на материала на измервателната камера със средата за измерване.
За да се осигури надеждна работа на смарттрансмитерите в рамките на проектния експлоатационен срок, се препоръчва да се обърне специално внимание на монтажа, тъй като именно спазването на някои основни правила би гарантирало надеждно и точно измерване в продължение на дълъг период от време. Необходимо е импулсните линии между съоръжението, където трябва да се измерва налягането и датчика да осигуряват точно предаване на работното налягане, така че да се гарантира необходимата точност на измерване. Известно е, че съществуват няколко източника на грешки при предаване на налягането: пропуски, понижение на налягането при ползване на продувка, образуване на газ в течна среда, образуване на кондензат в газова среда и промяна на плътността в едната импулсна линия спрямо другата (при диференциални манометри). Препоръчва се трансмитерите да се комплектоват с двупътен, трипътен или петпътен вентилен блок. Използването му би улеснило дренирането и обезвъздушаването на импулсните линии. Дренажните отвори могат да се използват и при настройка и калибриране на трансмитера в полеви условия.

Монтаж на трансмитера
Начинът на монтаж на трансмитера спрямо тръбопровода зависи от технологичния процес. Препоръчва се спазването на някои основни правила за определяне на положението на трансмитера, сред които е използването на възможно най-къси импулсни линии. При измерване на течности (фиг. 2) се препоръчва пробоотборната точка да е под минималното ниво на тръбопровода, за да се избегне запълването с въздух или газ на импулсните линии. Важно е да се вземат мерки, възпрепятстващи образуването на утайки в камерите на трансмитера. При работа с газове (фиг. 3) за добро решение се счита монтирането на трансмитера над пробоотборната точка, като по този начин се осигурява свободно изтичане на кондензата. При измерване на разход на пара обикновено се монтират кондензни гърнета (фиг. 4), осигуряващи еднакво ниво на кондензата в двете импулсни линии. При измерване на налягане на пара е добре да се използват U-образни сифони, които се запълват с флуид преди монтажа на трансмитера, като целта е понижаване на температурата в сензорния модул. Препоръчва се също минималният наклон на импулсните линии да бъде 10%. При диференциалните манометри е необходимо да се осигури еднаква температура и в двете импулсни линии. За да се избегне ефектът на триене и да се предотврати отлагането на замърсявания в импулсните линии, е необходимо те да са с достатъчно голям диаметър. При използване на запълваща течност трябва да се осигури запълване на двете импулсни линии на едно и също ниво. Наложително е избягването на контакт на сензорния модул с агресивни и горещи среди и осигуряването на условия против замръзване на измерваната течност в импулсните линии и трансмитера. При възникване на вибрации на съоръженията се предприемат мерки за намаляване на тяхното влияние чрез монтаж върху стойка на отделен фундамент, удължени импулсни линии или други способи.

Условия за точност на измерването
Точността на измерване зависи от правилния монтаж на трансмитера и импулсните линии. За да се постигне висока точност, се препоръчва датчикът да бъде монтиран възможно най-близо до технологичния тръбопровод или апарат, посредством минимално количество тръбни съединения. Също така е необходимо да се осигури лесен достъп до трансмитера, безопасност на персонала и възможност за провеждане на калибриране в работен режим.
Освен директното измерване на налягане, в някои приложения се използват разделителни мембрани. Те представляват разделители между трансмитера и измерваната среда. На фиг. 5 е показана система за измерване на налягане с разделителна мембрана. Тя се състои от разделителна мембрана 1, капилярна тръба 2, запълнена със силиконово масло и трансмитер 3. Процесното налягане въздейства чрез разделителната мембрана на запълващата течност, която от своя страна действа на сензора на трансмитера за налягане. При монтаж изискването е капилярната тръбичка да се огъва с радиус по-голям от 100 mm. При разлика във височината между проботборната точка и трансмитера се получава грешка от хидростатичния стълб, поради което се налага въвеждане на корекция при конфигурирането.

Електрическо присъединяване
За присъединяване на интелигентните трансмитери е препоръчително използването на екраниран кабел усукана двойка. Оптимална шумозащита може да се постигне ако ширмовката (екрана) e заземена и от двете страни. При големи дължини на свързващите проводници, обаче, е възможно да възникнат условия за протичане на изравнителни токове през защитния проводник или екрана на кабела. Това би могло да доведе до смущения на сигнала и повреда на трансмитера. За да се избегнат тези явления, обикновено се предприема галванично "развързване" и изолиране на защитния проводник или оплетката на кабела в единия край, както и монтиране на защити от пренапрежения. При полагането на сигналните кабели не се допуска те да са в общ кабелен канал със силови кабели, както и да преминават близо до мощни електросъоръжения.

Технически характеристики на трансмитерите за налягане
Параметрите, които обикновено се измерват с трансмитерите за налягане, са вакуум, абсолютно налягане, манометрично налягане, диференциално налягане и хидростатично налягане. Точността на измерване достига до ±0,04%, а повторяемостта е  ±0,1%. Грешката от промяна на температурата на околната среда е ±0,015%/°С. Сумарната експлоатационна точност, която се образува от сумата на номиналната точност и грешките, свързани с влиянието на околната среда и статичното налягане в линията, достига до 0,15%.
Обхватите на измерване за различните налягания са съответно: за абсолютно налягане от 0ё10 mbar до 0ё600 bar; за манометрично налягане от -10ё10 mbar до -1ё700 bar и за диференциално налягане от 0ё5 mbar до 0ё150 bar. Статичното налягане при диференциалните манометри е 100ё320 bar. Влиянието на статичното налягане е ±0,04 от скалата. Свръхнатоварването при манометрите е 1,5ё40 пъти обхвата на измерване. Времето за реакция е 250 ms ё 400 s, за демпфериране 0ё900 s, а необходимото време за подгряване - около 1ё5 s. Температурата на измерваната среда може да варира в границите от -40 до 120 °C, при високотемпературна версия до 250 °C и 350 °C при използване на разделителна мембрана.
Обикновено се препоръчва температурата на околната среда да бъде в границите -40 ё 85 °C. Захранващо напрежение е в границите 10,5 ё 45 VDC, и 10,5 ё 30 VDC при EЕx ia взривозащита. Грешката от влияние на захранващото напрежение е около 0,005%/V. Трансмитерите за налягане обикновено са със степен на прахо- и водозащита IP66 и IP67 и с взривозащита в съответствие с EЕx ia и EЕx d. Някои производители предлагат сертифицирани трансмитери по SIL1 и SIL2 за използване в системи за безопасност и защити.
Аварийни сигнали - при токов сигнал 4ё20 mA изходът може да се установи на максимум 21ё23 mA, на минимум 3,6 mA или да запази последната измерена стойност.
Повечето модерни процесни манометри разполагат с течнокристален дисплей и бутони за настройка на място. Както вече бе споменато, сред параметрите, които може да се настройват, са нула и обхват, демпфериране, аварийни стойности, измервателни единици. Технологичното присъединяване е резбово или фланцово. За изработване на мембраните контактуващи с измерваната среда се използват неръждаема стомана, хастелой или керамика.

Предимства на интелигентните трансмитери за налягане
Сред основните предимства на смарттрансмитерите са:
- висока точност;
- надеждна високочувствителна система, съчетана с използване на съвременни технологии, осигуряваща коефициент на мащабиране до 200:1;
- използване на широк набор от чувствителни елементи в зависимост от приложението и оптимизиране на работните характеристики;
- стабилност на експлоатационните параметри за дълъг период от време;
- съответствие на нарастващите изисквания на потребителите - повишено качество, надеждна работа и опростено обслужване;
- модулност -  сменяем индикатор, стандартен обработващ блок за трансмитери за налягане и диференциално налягане;
- широки възможности за конфигуриране - осигуряват се локално от вграден клавиатурен блок и индикатор, от портативен комуникатор, и дистанционно от управляваща система;
- бърза и лесна настройка;
- широк спектър от приложения - за измерване на налягане, ниво и разход;
- поддържане на различни цифрови полеви протоколи;
- осигуряване на полева диагностика и самодиагностика, включително генериране на съобщения за грешки и повреди;
- възможности за тест на веригата без прекъсването й.

Приложение на интелигентни трансмитери
Налягането е една от основните процесни величини за контрол на технологичните процеси във всички сфери на промишлеността. Това определя и широката област от приложения на смарттрансмитерите за налягане като уреди за: измерване на абсолютно и манометрично налягане на пари, газове и течности; измерване на диференциално налягане - при измерването на съпротивлението на технологични съоръжения; измерване на ниво, обем или маса, използвайки изчислителните възможности на микропроцесорния блок; измерване на обемен, масов или коригиран разход при нормални условия; измерване на налягане с разделителни мембрани при кристализиращи среди, високо- или нискотемпературни и агресивни среди.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top