1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Термопреобразователисопротивления (ТС) и термоэлектрические преобразователи (ТП). Типы НСХ.Конструкция ТС и ТП, особенности применения
Температуройназывают физическуювеличину, характеризующую степень нагретости тела. Это понятие связано соспособностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу сболее низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются.Одновременно с изменением температуры тел меняются и их физические свойства.
Приборыдля измерения температуры классифицируют в зависимости от того, какой методизмерения положен в основу их конструкции: контактный (метод непосредственногосоприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный(метод, основанный на расположении измерительного прибора на расстоянии отизмеряемой среды).
Кприборам, основанным на контактном методе измерений, относят жидкостныестеклянные термометры, термометры расширения твердых тел, манометрическиетермометры, термоэлектрические термометры (термопары), термопреобразователи (термометры)сопротивления. Для целей автоматизации применимы только два последних видатермометров.
Термоэлектрическиетермометры(термопары)являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряютмагнитоэлектрическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.
Термоэлектрическиепреобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различныхрабочих сред (газ, пар, вода, сыпучие материалы, химические реагенты),используемых в объектах народного хозяйства и неагрессивных к материалузащитной арматуры термопреобразователей. Термопреобразователи относятся кизделиям общепромышленного применения и предназначены для работы вмакроклиматических районах с умеренным, холодным и жарким климатом.
Термоэлектрическийтермометр, простейшая цепь которого показана на рисунке 1, а, представляетсобой чувствительный элемент, выполненный в виде двух проводников из разныхметаллов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущностьтермоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двухпроводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, называемаятермоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).
Термо-ЭДСзависит от материала проводников Аи Б, составляющих термоэлектрическийтермометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом- 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зонепостоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этомусловии термо-ЭДС термоэлектрического термометра, а значит, и показанияизмерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца — 2.Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило,находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительныхприменяют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенестисвободный конец в зону с постоянной известной температурой.
Термо-ЭДСтермоэлектрического преобразователя не изменится, если в его цепь будет включёнтретий проводник или измерительный прибор и температура мест его подсоединениябудет одинаковой. Измерительный прибор (или третий проводник) может включатьсяили в свободные концы, или в термоэлектрод.
Дляпредохранения от повреждений термоэлектрические термометры заключают в защитнуюарматуру (рис. 1, б).
Термоэлектрическиетермометры имеют стабильную характеристику: термо-ЭДС, развиваемая ими,стандартизована, что делает термоэлектрические термометры взаимозаменяемыми.
Современныесредства микроэлектроники позволяют сигналы от термопар не только усиливать донормального уровня, но и оцифровывать.
/>
1 — свободный конец; 2 — рабочий конец; 3- термоэлемент; 4 — жароупорный наконечник; 5 — металлический чехол; 6 — фарфоровые изоляторы; 7 — головка термометра с зажимами; А, Б — проводники из разныхметаллов
Рисунок 1 — Простейшаятермоэлектрическая цепь (а) и общий вид термоэлектрического термометра (6)
Предусмотреноизготовление пяти типов термоэлектрических термометров: вольфрамрений (5%рения) — вольфрамрениевые (20% рения) типа ТВР; платинородий — платиновые типаТПП; платинородий (30% родия) — платинородиевые (6% родия) типа ТПР;хромель-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХК. Кроме того,промышленность изготовляет нестандартные вольфраммолибденовыетермоэлектрические термометры типа ВМ.
Верхнийпредел температур, измеряемых термоэлектрическими термометрами, зависит от ихтипа. Так, термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП — до1300, ТПР — до 1600, ТХА — до 1000, ТХК — до 600°С.
Термопреобразователисопротивления (термометры сопротивления) широко применяют во всех отрасляхпромышленности для измерения температуры в трубопроводах, технологическомоборудовании, электрических вращающихся машинах, нагревательных печах, а такжев производственных помещениях.
Действиетермопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковыхматериалов (химически чистой платины или меди) изменять свое электрическоесопротивление при изменении температуры.
Выпускаются следующиеразновидности термопреобразователей сопротивления: платиновые, медные иполупроводниковые термопреобразователи сопротивления.
Платиновыетермопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от — 260до 1100°С. Чувствительный элемент такого термопреобразователя (рис. 2)изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,08 мм, намотанной наслюдяную пластинку 4(каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитнуюарматуру 8.
Медныетермопреобразователи сопротивления для измерения температуры от — 50 до 200°Сизготовляют из медной изолированной проволоки диаметром 0,1. .0,2 мм, а выводы— из медной луженой проволоки диаметром 1… 1,5 мм.
/>
1 — платиновая проволока; 2 — каркас; 3- серебряная лента; 4 — слюдяная пластинка; 5 — выводы; 6 — чувствительный элемент;7 — оксид аммония; 8 — защитная арматура; 9 — зажим; 10 — крышка; 11 — головка;12, 13 — штуцера под кабель и штуцер для крепления оправы; 14 – изоляторы
Рисунок2 — Платиновый термопреобразователь сопротивления
Вторичнымиизмерительными приборами для термопреобразователей сопротивления служат такиеже нормирующие усилители и аналого — цифровые преобразователи, применяемые длятермопар.
1.2 Основные сведенияоб автоматическом управлении (регулирование). Классификация и структурные схемыавтоматических систем регулирования (АСР)
Технологические процессы характеризуются совокупностьюопределяющих их физических величин (температурой, давлением, расходом вещества,концентрацией массы и т. д.). Для нахождения значений этих физических величинприменяются контрольно-измерительные приборы и контрольно-измерительныесистемы.
Контрольно-измерительный прибор предназначается для выработкисигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственноговосприятия наблюдателем. Контрольно-измерительный прибор представляет собойединое конструктивное целое, т. е. состоит из одного не расчленяемого на частиустройства (пружинный манометр для измерения давления, ртутный стеклянныйтермометр для измерения температуры).
Контрольно-измерительной системой называется совокупность средствизмерений (измерительных приборов, измерительных преобразователей) ивспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи,предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме,удобной для непосредственного восприятия наблюдателем или для автоматическойобработки, передачи и использования в автоматических системах управления.
Контрольно-измерительная система состоит из отдельныхизмерительных преобразователей, приборов и вспомогательных устройств, т. е. изчастей, каждая из которых самостоятельно выполняет присущую только ейопределенную роль во всем процессе измерения.
Измерительный преобразователь представляет собой средствоизмерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации вформе, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения,но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительные преобразователи разделяются на первичные,промежуточные и передающие.
Первичный преобразователь является первым по ходу измерительногосигнала функциональным элементом в измерительной цепи. Например, термопара вцепи термоэлектрического термометра, служащая для преобразования тепловойэнергии в электрическую, или сужающее устройство расходомера переменного перепада,служащее для частичного преобразования потенциальной энергии потока вещества вкинетическую. Заметим, что часть первичного преобразователя, находящаяся поднепосредственным воздействием измеряемой величины, а иногда весьпреобразователь являются чувствительным элементом контрольно-измерительногоприбора или системы.
Промежуточный преобразователь — это преобразователь, занимающий визмерительной цепи место после первичного.
Передающий преобразователь — это преобразователь, предназначенныйдля дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Например, всистеме расходомера переменного перепада устройство дистанционной пневматическойпередачи размера перепада давлений на измерительный прибор являетсяпневматическим передающим преобразователем.
Сигнал измерительной информации осуществляется по каналам связи.
Канал связи — это трубные коммуникации, электрическиесоединительные провода или механические (кинематические) звенья и цепи звеньев,служащие для объединения отдельных составных частей в контрольно-измерительнуюсистему. В каналы связи могут быть в случае необходимости включенывспомогательные устройства.
Вспомогательные устройства представляют собой устройства, приспособленияи механизмы, не участвующие непосредственно в самом процессе измерения, ноиспользуемые для обеспечения правильности и бесперебойности действияконтрольно-измерительных приборов и контрольно-измерительных систем. Квспомогательным устройствам относятся, например, фильтры,' разделительные сосудыи другие промежуточные устройства, циркуляционные устройства, источники питания.
К вспомогательным также относятся приемные устройства, применяемыедля отбора из контролируемого аппарата сигнала измерительной информации с цельюподвода его по каналу связи к чувствительному элементу первичногопреобразователя (приемные устройства манометров, тягомеров, газоанализаторов и т.д.).
Если по ходу сигнала измерительной информации вконтрольно-измерительную систему входят два измерительных прибора, то первый попорядку прибор называется первичным, а последующий — вторичный. В этом случаедля передачи сигнала измерительной информации между приборами размещаетсяпередающий преобразователь.
Если в контрольно-измерительную систему входят два измерительныхприбора, действующих от одного первичного или передающего преобразователя, тоони оба именуются первичными приборами.
Контрольно-измерительные приборы и системы разделяются нааналоговые и цифровые. В аналоговыхприборах или системах показанияявляются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В цифровомприборепоказания представлены в цифровой форме, для чего автоматически вырабатываютсядискретные (прерывистые) сигналы измерительной информации.
Контрольно-измерительные приборы по способу воспроизведениязначения измеряемой величины подразделяются на показывающие, регистрирующие иинтегрирующие.
Показывающие приборы допускают только отсчитывание показаний, длячего имеют отсчетное приспособление, по которому определяют значение измеряемойвеличины в данный момент времени. Для этого прибор имеет циферблат со шкалой,градуированной в единице измерения, и стрелку. По положению стрелки против тойили иной отметки на шкале производят отсчет.
К показывающим приборам относится большинство применяемых напрактике контрольно-измерительных приборов. Это объясняется тем, чтопоказывающие приборы обладают крупными, хорошо читаемыми шкалами, вследствиечего они могут успешно применяться для оперативного управления технологическимпроцессом. Меньше подходят для этих целей самопишущие регистрирующие приборы.
Самопишущие приборы автоматически записывают свои показания надвижущейся диаграммной бумаге, что позволяет анализировать правильностьсоблюдения установленного режима. Диаграммная бумага разделяется на дисковую,рассчитанную на суточную запись, и ленточную, рассчитанную на длительнуюнепрерывную запись показаний (до нескольких десятков суток или менее в зависимостиот установленной скорости перемещения бумаги). Для записи показаний всамопишущих приборах применяются перья с чернилами или красящие ленты спечатающими устройствами (нумераторы и т. д.).
Самопишущие приборы обычно устанавливаются на групповых илицентральных щитах и являются приборами контроля, а в случае обработки диаграммпланиметрами — приборами учета, как и интегрирующие приборы.
Интегрирующими приборами называются приборы, в которых подводимыйсигнал измерительной информации или подводимая величина подвергаетсяинтегрированию по времени или по другой независимой переменной. Интегрирующиеконтрольно-измерительные приборы имеют суммирующий механизм, при помощикоторого определяется суммарное значение измеряемой величины за определенный промежутоквремени.
Показывающие и самопишущие приборы, которые имеют специальныеприспособления для сигнализации и регулирования измеряемой величины, называютсярегулирующими приборами. Регулирующий прибор является составной частьюавтоматического регулятора.
Все измерительные приборы делятся на образцовые, контрольные и рабочие.Образцовые приборы предназначены для воспроизведения и хранения единицизмерения и для поверки и градуировки в лабораторных условиях прочих, менееточных измерительных приборов; рабочие — для практического применения в производственныхусловиях; контрольные — для поверки рабочих приборов на месте их установки вцехах. Контрольные приборы по точности подходят к грубым образцовым приборам,но имеют удобный для переноски корпус и измерительный механизм, на надежностьработы которого сотрясения при переноске почти не влияют.
Приборы, обладающие наивысшей точностью и служащие длявоспроизведения и хранения единиц измерения, называются эталонами.Эталоны являются физическойосновой измерения всех величин в установленных единицах. Для практических работпо поверке и градуировке рабочих контрольно-измерительных приборов применяютсяобразцовые приборы ограниченной точности, обычно именуемые просто образцовымиприборами. Они разделяются на несколько разрядов. Приборы 1-го разряда менееточны, чем эталоны, по которым они градуируются и поверяются, но более точны,чем приборы 2-го разряда; в свою очередь, приборы 2-го разряда более точны, чемприборы 3-го разряда. Обычно на предприятиях имеются образцовые приборы 3-го, аиногда и 2-го разряда.
Для производственника образцовым прибором является тот, покоторому следует контролировать показания рабочих приборов. Однако показанияобразцового прибора не считают за истинное значение измеряемой величины, таккак он работает не без погрешностей. Показания образцового прибора условносчитают действительным значением измеряемой величины.
Образцовые приборы — это лабораторные приборы, применяемыеисключительно для лабораторной поверки и градуировки рабочих приборов.
Автоматическая система регулирования (АСР) представляет собойсовокупность взаимодействующих друг с другом автоматического регулятора ирегулируемого объекта.
Автоматический регулятор — автоматическое устройство, котороереагирует на изменение физической величины, характеризующей технологическийпроцесс, и осуществляет управление ' процессом с целью поддержания этой величинына заданном значении.
Регулируемый объект — любая промышленная установка (машина, агрегат,аппарат), в которой автоматически поддерживаются на заданном значенииопределенные параметры производственного процесса.
В каждой автоматической системе регулирования различают элементы извенья. Как те, так и другие характеризуются входными и выходными параметрамиили величинами. Факторы, воздействующие на элемент или звено и являющиесяпричиной изменения их состояния, называются входными величинами и обозначаютсячерез х. Параметры, характеризующие изменения состояния элемента илизвена и являющиеся результатом воздействия на звено, называются его выходнымивеличинами и обозначаются через у.
Различают замкнутые и разомкнутые автоматические системырегулирования. Система автоматического регулирования является замкнутой, есливоздействия регулятора на объект через входную величину объекта приводят кобратному воздействию на регулятор через выходную величину объекта. Разомкнутойсистемой автоматического регулирования называется система, в которойавтоматическое изменение какой-либо из входных величин производится без учетахарактера изменения регулируемой величины.
Кроме воздействия регулятора, для объекта регулирования входнымивеличинами также являются внешние возмущения, например изменение давлениягреющего пара, изменение нагрузки. Для автоматического регулятора входнойвеличиной будет измеряемое им отклонение регулируемого параметра, а выходной — воздействия регулятора на объект.
В большинстве случаев элементы и звенья системы обладают свойствомнаправленности действия. Это значит, что передача энергии или вещества вэлементе или звене осуществляется в направлении от входа к выходу. Кроме этихобщих свойств, элементы и звенья имеют существенные различия. Элементыхарактеризуются их функциональным назначением: измерительный элемент,усилительный или преобразующий (управляющий) элемент, исполнительный элемент,регулирующий элемент. Звенья же характеризуются статическими и динамическимисвойствами. Таких элементарных звеньев имеется немного — пропорциональное,интегрирующее, апериодическое, колебательное, дифференцирующее и звенозапаздывания.
Система «объект — регулятор» образует замкнутый контуррегулирования. По числу контуров системы регулирования разделяются наодноконтурные и многоконтурные.
Возмущающие воздействия или просто воздействия разделяются навнутренние и внешние. К внутренним относится регулирующее воздействие а квнешним— воздействиепо нагрузке, а также изменения задания регулятору.
Автоматические регуляторы разделяются на две группы: регуляторыпрямого и непрямого действия. Регуляторами прямого действия называются такиерегуляторы, к которым не нужно подавать энергию от внешних источников. Такиерегуляторы изменяют размер регулирующего воздействия за счет энергии, передаваемойот объекта регулирования к чувствительному элементу, например поплавку,измеряющему отклонение регулируемого параметра. Регуляторы непрямого действиянуждаются в энергии от внешнего источника.
На рисунке 3 представлена структурная схема одноконтурной системыавтоматического регулирования с регулятором непрямого действия, а на рисунке 4-с регулятором прямого действия. Структурная схема дает представление о составесистемы автоматического регулирования и назначении ее элементов.
/>
Рисунок 3- Структурная схема одноконтурной системы автоматическогорегулирования с регулятором непрямого действия
/>
Рисунок 4 — Структурная схема одноконтурной системы автоматическогорегулирования с регулятором прямого действия
По характеруалгоритма функционирования АСР подразделяются на стабилизирующие, программные иследящие.
СтабилизирующейАСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписанияподдерживать регулируемую величину на постоянном значении.
ПрограммнойАСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписанияизменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией.
Следящей АСРназывается система, алгоритм функционирования которой содержит предписанияизменять регулируемую величину в зависимости от неизвестной заранее переменнойвеличины на входе автоматической системы.
В зависимостиот вида закономерности изменений сигналов в АСР они подразделяются на линейныеи нелинейные.
К линейнымАСР относятся системы, характерной особенностью которых является суперпозицияих движений, т.е. происходящий в линейных системах под влиянием несколькихвоздействий процесс определяется суммой процессов, каждый из которых являетсярезультатом только одного воздействия на систему.
К нелинейнымотносятся системы, к которым не применим принцип суперпозиции.
В зависимостиот числа регулируемых величин системы подразделяются на одномерные имногомерные.
ОдномернойАСР называется система с одной регулируемой величиной.
Многомернымисистемами называются системы с несколькими регулируемыми величинами.
Многомерныесистемы в свою очередь подразделяются на системы связанного и несвязанногорегулирования.
Существуетклассификация АСР по функциональному назначению, делящая их на системырегулирования температуры, давления, расхода, уровня и т.п.
1.3 Описаниетехнологической схемы
Принципиальнаятехнологическая схема процесса варки представлена на рисунке 5.
В составварочной установки входят: ГБЩ – бак-аккумулятор горячего белого щелока, ГЧЩ –бак-аккумулятор горячего черного щелока, ПрЩ – бак промывного щелока, КЩ – баквытесненного теплого щелока (бак К-щелока), варочные котлы, вымывной резервуар.Трубопровод циркулирующего варочного щелока имеет паровые сопла П.С. для подачипара высокого давления для нагрева циркуляционного щелока во время варки. Такжеимеются теплообменники ТП для подогрева поступающего в бак-аккумулятор белогощелока, для охлаждения горячего черного щелока, подаваемого на выпарку избака-аккумулятора, для догрева содержимого бака белого щелока. Варочный котелимеет циркуляционное сито в нижней части котла, вытеснительное сито в верхнейчасти, кольцевые спрыски для щелока в нижнем конусе.
Теплыйбелый щелок из цеха каустизации по линии 1 поступает через теплообменник, гдеподогревается до температуры 155-160 °С горячим черным щелоком, вбак-аккумулятор горячего белого щелока ГБЩ. Догрев содержимогобака-аккумулятора белого щелока осуществляется циркуляцией через теплообменник,в который подается пар высокого давления.
Щепазагружается в котел через загрузочную воронку со шнекового конвейера.Одновременно осуществляется подача пара низкого давления для уплотнения ипропарки щепы и закачка через нижний конус котла теплого щелока на пропитку. Напропитку щелок закачивается из бака промывного щелока ПрЩ. Путем подачи в линиюзакачки щелока на пропитку по линии 2 холодного белого щелока осуществляетсярегулирование остаточной щелочности при пропитке. Воздух из котла во времязагрузки через вытеснительное сито отсасывается вентилятором черезкаплеотделитель К. К концу пропитки, когда котел заполнен «подгорло», щелоковым насосом создается избыточное давление и котел становитсягидравлически заполненным. Происходит «холодная» пропитка щепы поддавлением, что очень благоприятно влияет на последующие результаты варки.
В концепропитки начинается вытеснение пропиточного щелока горячим черным щелоком избака ГЧЩ. Пропиточный щелок вытесняется в бак теплого щелока КЩ по линии 27.После вытеснения определенного количества пропиточного щелока в котел подаетсятребуемое на варку количество варочного щелока. Для этого горячий белый щелокиз бака ГБЩ смешивается с горячим черным щелоком из бака ГЧЩ и подается в котел.Варочный щелок во время закачки проходит через теплообменник, где догреваетсяпаром высокого давления до температуры варки, если это необходимо. Вытесняемыйщелок с температурой выше 100 °С направляется в бак горячего щелока ГЧЩ.
Послезакачки горячего варочного щелока температура содержимого котла составляет155-160 °С. Нагрев варочного щелока во время варки осуществляется подачей паравысокого давления в паровые сопла, установленные на циркуляционномтрубопроводе. В фазе варки в варочном котле поддерживается требуемый уровеньтемпературы и давления до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значениеН-фактора. Циркуляция осуществляется следующим образом: варочный щелокотбирается через циркуляционное сито в нижней части котла, подогревается паромвысокого давления в трубопроводе и возвращается в котел через верхнеевы-теснительное сито и через нижний конус. Температура варки составляет 165 °С.Регулирование концентрации эффективной щелочи во время варки осуществляетсяподачей горячего белого щелока по линии 8 в циркуляционный трубопровод. Избытокгорячего черного щелока возвращается в бак ГЧЩ.
Послеокончания варки начинается вытеснение горячего варочного щелока холоднымпромывным фильтратом и теплым щелоком. При этом температура содержимого котларезко снижается и прекращаются химические реакции. Процесс вытесненияначинается с подачи щелока из бака черного щелока КЩ в нижнюю часть котла,чтобы использовать высокую температуру в варочном котле для деактивациикомплексных соединений кальция, растворенных в щелоке при пропитке.Окончательное вытеснение проводится с использованием промывного фильтрата,поступающего из бака для вытесняемого щелока ПрЩ. Вытесненный горячий черныйщелок направляется в сборник горячего черного щелока по линии 18 для следующейварки, а также на выпарку по линиям 10 и 30. Количество использованноговытесненного щелока соответствует общему объему фильтрата от промывки небеленоймассы. В конце ступени вытеснения температура массы в котле ниже 100 °С. Послеэтого давление в котле за счет снижения температуры также снижается до уровняатмосферного. Вымывка массы начинается с подачи промывного щелока в нижнийконус котла на разбавление. Масса с концентрацией 5 % откачивается насосом изкотла в вымывной резервуар.
Впроцессе варки сдувки из котла поступают по линии дегазации в бак горячегочерного щелока, частично конденсируются, а несконденсировавшиеся парогазыоткачиваются вентилятором через терпентинный конденсатор на сжигание вневарочного цеха. Аналогично, все паровые сдувки из щелоковых баков направляютсясначала по линии 7 в бак горячего черного щелока, а затем вентиляторомоткачиваются на сжигание вне варочного цеха.