Интелигентни трансмитери за налягане
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5, 2008
Интелигентни трансмитери за налягане
Функционални възможности и тенденции в развитието на смарт трансмитери в процесната индустрия
За измерване на налягане, разход и ниво в непрекъснатите производства много често се използват трансмитери за налягане. Надеждното и точно измерване на процесните характеристики е от значение за оптималното управление на технологичните процеси и безопасната експлоатация на съоръженията и агрегатите. В практиката вече се налагат трансмитери от ново поколение - т.нар. смарт или интелигентни модели, които поддържат изчислителни възможности и функции, които разширяват и подобряват получената информация в зависимост от спецификите на различните приложения. Обект на разглеждане в статията са конструктивните и метрологични характеристики на най-разпространените смарт трансмитери.
Навлизат безжичните технологии
По същество смарт трансмитерите, както и аналоговите модели, се използват за преобразуване на процесната променлива налягане (абсолютно, относително, вакуум, диференциално или хидростатично) в електрически сигнал. Изходният сигнал би могъл да бъде аналогов - токов 4-20 мА, който е най-разпространен, напреженов 0-10 V (с допълнително захранване) и цифров (честотно или амплитудно модулиран).
При цифровата комуникация сигналът носи информация за измервания параметър във физични единици (Bar, mBar, kPa, MPa, mmH2O, mm Hg, inH2O, in Hg, psi, kg/cm2, atm), статуса на устройството, данни за състояние, диагностична информация и т.н. Най-често използваните протоколи за предаване на данни между смарт трансмитери, други устройства, както и системата за управление, са HART, Fieldbus, PROFIBUS PA, DeviceNet и др.
Когато се говори за тенденции в развитието на смарт трансмитерите, не би могла да се остави встрани темата за навлизането на безжичните технологии в индустриалната автоматизация. Вече и у нас се предлагат трансмитери за налягане, комуникиращи по безжична технология. Посредством използването им отпадат всички затруднения с опроводяването и пред специалистите се разкриват огромни възможности за осигуряване на гъвкавост в местоположението. Приложението на безжичните трансмитери все още е ограничено, но с усъвършенстване на технологията доверието към тях ще нараства и ще намират все по-широка употреба.
Конструкция на смарт трасмитери
Функционално, а и конструктивно смарт трансмитерът се състои от три основни модула - сензорен, в който се намират чувствителните елементи, микропроцесорен (изчислителен) модул за измерване и интерфейсен модул за комуникация по съответния протокол със система за управление, контролер, PC или преносим комуникатор. На фигура 1 е показана функционална схема на смарт трансмитер.
Конструктивно, в зависимост от приложението, сензорният модул (СМ) би могъл да бъде свързан с други устройства за измерване, например разходомери или изведен от корпуса на трансмитера. При някои модели сензорният и микропроцесорният модули са капсулирани в общ корпус с цел постигане на по-висока точност. Предлагат се модели, при които интерфейсният модул (ИМ) е разширен с местна индикация и функционални бутони за локална настройка или конфигуриране. Сред направленията в развитието на смарт трансмитерите е модулната конструкция, която дава решения за различни приложения и изисквания към трансмитера, възможност за лесен ремонт или подмяна на дефектиралия модул (много често всеки модул е отделна платка).
Чувствителни елементи на сензорния модул
Сензорният модул се състои от тяло с присъединителен отвор, мембрана, чувствителен елемент (ЧЕ), както и флуид, с който е запълнено пространството между сензора и мембраната. Освен сензорът за налягане в тялото е поместен и датчик за температура. Сигналът му се използва от микропроцесорния модул (ММ) за елиминиране на температурната грешка.
Основни изисквания към ЧЕ са висока чувствителност, продължителна стабилност на работа, повторяемост на резултатите и малка температурна зависимост. Най-често в ролята на ЧЕ се използват пиезорезистори, полупроводникови, капацитивни и пиезоелектрически сензори. Пиезорезистивният ефект се изразява в зависимостта между деформацията на един проводник или полупроводник и проводимостта му. Откритието е направено от Томпсън през 1856 г и е известно още като тензоефект, а сензорите като тензодатчици.
В корпуса на един ЧЕ обикновено се вграждат няколко тензодатчика с цел минимизиране на грешки от нелинейност при деформация в различни направления. Най-добър ефект се постига с четири елемента, свързани в мост. Сигналът от тензодатчика би могъл да се използва и за измерване на температурата. Възможно е също да се вгради допълнителен термоелемент. При смарт трансмитерите се използват често и полупроводникови некомпенсирани тензодатчици, като пълната компенсация се извършва от микроконтролера. Конструктивен разрез на чувствителен елемент с пиезорезистори е показан на фиг. 2. С позицията 1 е означен чувствителният елемент; с позиция 2 - измервателната мембрана с Уитстонов мост, с позиция 3 - запълващият флуид, а с позиция 4 - контактната метална мембрана.
При капацитивните чувствителни елементи се използва зависимостта на капацитета от разстоянието между електродите или площта им. В този случай единият електрод в конструкцията на ЧЕ под действието на налягането върху мембраната се премества в определени граници. Също така, с цел компенсиране на температурната грешка се монтира датчик за температура. Капацитивните елементи се използват по-често в трансмитерите за ниски и диференциални налягания, тъй като се отличават с висока чувствителност. На фигура 3 могат да се видят основните елементи от конструкцията на СМ с капацитивен ЧЕ. С позиция 1 е означено тялото на сензорния модул, с две - мембраните, с 3 - електродите на капацитивния елемент, с 4 - фиксатори за мембраната към тялото, а с 5 - вграден температурен датчик.
Работата на пиезоелектрическите ЧЕ се основава на свойството на някои кристали да генерират електрически заряд, пропорционален на силата, въздействаща върху него и променящ своя знак при смяна посоката на натоварване.
Функционалност на микропроцесорния модул
Благодарение на изчислителните възможности на микропроцесорния модул на смарт трансмитерите, сигналът от ЧЕ 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 от измерването. Благодарение на смарт технологията, потребителят има възможността да избере обхвата на трансмитера в зависимост от изискваните чувствителност при визуализация и контрол на процесния параметър. Обхватът на някои серии трансмитери би могъл да се настройва до 200:1 (например конфигуриране на горна граница в обхвата от 1 до 200 Bar). 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.
ММ изпълнява и самодиагностични функции, следи състоянието на сензора, на изходния сигнал и при грешки, чрез интерфейса, генерира съобщение за повреда или друг статус. При токов изход се генерира сигнал на алармени нива под 3,6 mА или над 21 mА, или други. Обикновено, поддържаната от микропроцесорни модули самодиагностична програма следи за следните повреди и грешки:
l отказ на микропроцесорната или сензорната платка;
l чувствителния елемент не изпълнява функции за самотестване;
l микропроцесорната платка не получава информация от ЧЕ или температурата в сензорния блок;
l аналоговият изход не се обновява;
l несъвместимост на ЧЕ и програмата на ММ;
l EЕPROM или сензорната платка не се инициализират;
l измерваното налягане е извън обхвата на сензора;
l сигналът от сензора е извън обхвата на скалата, както и
l температурата е извън обхвата на датчика за температура.
Цифрови комуникационни възможности
Известно е, че цифровият интерфейс осигурява двупосочна комуникация с трансмитера за четене и конфигуриране. От своя страна, конфигурацията на трансмитера се състои в задаване на измервателен номер, адресиране, определяне на физичните единици за измерване, дефиниране обхвата на измервания параметър, обхвата на изхода, времето на демпфериране на изходния сигнал, алармените нива за вход и изход, както и редица специфични коефициенти и др. За да се възползва в най-голяма степен от възможностите на цифровата комуникация, потребителят следва да разполага с изградена по съответната технология мрежа. За комуникация с полеви устройства у нас се използват основно три протокола - HART, FOUNDATION Fieldbus и PROFIBUS PA.
Връзката с интерфейса на системата за управление се базира на двупроводна линия, като всеки трансмитер се свързва паралелно и се адресира индивидуално. На една шина могат де се свържат до няколко устройства в стволова или разклонена структура. За бързи и критични процеси или трансмитери, включени в контури за регулиране, се препоръчва т.нар. точка с точка или peer-to-peer комуникация с интерфейса на системата за управление или PLC.
Посредством използването на цифрови технологии за комуникация се постига:
l намаляване на проводниците;
l намаляване на входно/изходните устройства;
l намаляване на броя на клемните кутии;
l опростяване на схемите;
l намаляване на габаритите на таблата за управление;
l получаване на повече информация от трансмитерите за диагностика.
HART протокол върху аналогов сигнал 4-20 mА за момента в момента дължи сериозен пазарен дял. Основното му предимство се състои в интегриране на аналогова и цифрова комуникация. Времето за реакция на трансмитера би могло да бъде и под 100 ms в аналогов режим. Смарт трансмитерите могат да се използват и без да е изградена съответна цифрова мрежа посредством специализиран комуникатор или PC, и конвертор. Организацията на менюто на съвременните модели позволява бърз достъп до всички параметри на уреда чрез HART-комуникатор. Важно е потребителят да разполага с актуална версия на софтуера, за да се възползва от всички възможности на трансмитера и цифровата комуникация. Ако в списъка на комуникатора не фигурира модела на трансмитера, потребителят не би могъл да го настройва, а само да чете някои от параметрите му. Предлагат се и фирмени протоколи за цифрова комуникация върху 4-20 mА. За да се осъществи комуникация при използването на комуникатор, е задължително да има включено 250 ома съпротивление, а захранването (измерено на клемите на трансмитера) най-често следва да е в границите 11 - 40 VDC.
Основни предимства на смарт трансмитерите
Сред най-важните предимства на смарт трансмитерите са висока надеждност и точност. Впечатленията на специалисти с практически опит в работата със смарт трансмитери са, че тези уреди дефектират изключително рядко. Възможно е проблеми с експлоатацията да възникнат при силно замърсяване на мембраните на чувствителния елемент, при деформирането му, както и при образуване на твърди утайки и налепи. Точността за различните модели и обхвати би могла да достигне до ± 0.0375% от измервателния обхват. Друго предимство на смарт трансмитерите е широкият спектър от приложения, включително за измерване на налягане, ниво и разход. Вграденият цифров интерфейс за комуникация позволява да се конфигурира трансмитерът с помощта на специализирания софтуер от PC, системата за управление, комуникатор или локален дисплей. Основно предимство на тези уреди е лесната и бърза настройка, като е възможно извършването на настройка при полеви условия. Настройва се както сензорът, така и токовият изход (при 4-20 mА с HART) на трансмитера. Съвременните модели разполагат с вградена полева дигностика и самодигностика, включително генериране на съобщения за грешки и повреди (статус и състояние). Предлагат възможности за тест на веригата, без прекъсването й; както и визуализиране параметрите на трансмитера в мястото на монтаж.
Специфициране
на смарт
трансмитери
При избор на смарт трансмитер е необходимо да се отчетат основните характеристики на уреда и условията на измерване, сред които са:
l обхват на измерване - съществуват достатъчно основания да се смята, че за съвременните трансмитери няма ограничения;
l максимално допустимо налягане в камерите на трансмитера;
l протокол за комуникация - в съответствие с изградена мрежа или налични устройства за комуникация;
l изходен сигнал (линеен или квадратичен за аналогов изход);
l вграден дисплей за визуализация и функционални бутони;
l точност и стабилност - влияние на статичното налягане, околната температура и положението при монтаж;
l захранващо напрежение;
l бързодействие (време за измерване) и време за включване;
l виброустойчивост;
l обем на камерата;
l демпфериране на изходния сигнал;
l предназначение - за измерване на абсолютно, относително и диференциално налягане;
l присъединяване за измерване на процесните променливи - присъединителни отвори, фланци;
l температура на околната среда и процесната променлива;
l агресивна среда - съществуват сензорни блокове, специално разработени за измерване на агресивни флуиди със специални покрития и уплътнения;
l защита от пренапрежения - при необходимост се вгражда защита от импулсни пренапрежения;
l потенциално експлозивна атмосфера - при монтаж в Ех зона се изисква съответната категория оборудване. За често срещаното изпълнение на защита (ia) следва да не се забравя , че веригата се искрообезопасява чрез искрозащитни модули, монтирани извън Ех зоната;
l сертификати за изпълнение, съответствие и калибриране.
Спазване на монтажните
изисквания за надеждна
работа
За да се осигури надеждна работа за проектния експлоатационен живот на смарт трансмитерите, е необходимо да се обърне специално внимание на монтажа. Именно спазването на някои основни правила би гарантирало надеждно, продължително и точно измерване. Задължително е трансмитерите да се комплектоват с двупътен, трипътен или петпътен (за диференциални трансмитери) вентилен блок. Използването му улеснява дренирането и обезвъздушаването (обезгазяване) на измервателните (импулсните) линии. Дренажните отвори могат да се използват и при настройка и калибриране на трансмитера в полеви условия. Желателно е за настройка и калибриране да се ползва въздух или инертен газ, за да не се замърсяват камерите. В случай че са замърсени, е необходимо да се почистят внимателно преди настройката.
Основно правило при монтажа е да се избегне вероятността в измервателните камери и импулсните линии да се образуват утайки при измерване на течности и кондензат при работа с газове. Следва да се има предвид, че при използването на диференциални трансмитери за измерване на разход образуването на утайки или кондензат в една от импулсните линии води до промяна на хидростатичното налягане и до големи грешки в измерването.
При работа с газове трансмитерът се монтира над пробоотборната точка с минимален наклон на импулсните линии 10%, за да се осигури свободно изтичане на кондензата. За измерване на течности (фиг. 4) е препоръчително пробоотборната точка да е под минималното ниво в съоръжението, за да се избегне запълването с въздух на импулсните линии. Важно е да се вземат мерки и да не се образуват утайки в камерите на трансмитера.
В приложения за измерване на разход на пара се монтират кондензни сифони (фиг. 5), осигуряващи еднакво ниво на кондензата в двете импулсни линии. При измерване на налягане се използват U-образни сифони, които се запълват с флуид преди монтажа на трансмитера, като целта е понижаване на температурата в сензорния модул.
При вибрации на съоръженията е необходимо да се вземат мерки за намаляване влиянието им, чрез монтаж върху стойка на отделен фундамент, издължени импулсни линии или други техники.
Поради високата точност на трансмитерите, както и за да има сигурност в резултатите от калибрирането или проверката е задължително използваният еталон да е проследим, а действителната стойност и неопределеността от свидетелството за калибриране на еталона да се използват при отчитане на резултатите.
При големи дължини на свързващите проводници е възможно да възникнат условия за протичане на изравнителни токове през защитния проводник или екраниращата оплетка (ширмовка) на кабела. Това би могло да доведе до смущения на сигнала и повреда на трансмитера. За да се избегнат тези явления, се предприемат следните мероприятия - развързване и изолиране на защитния проводник или оплетката на кабела в единия край, както и монтиране на защити от пренапрежения.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 9/2024
