Анализ возможности разработки прибора контроля давления на выходе компрессора К-250

Бороздин П.В., Тарасюк В.П. Донецкий национальный технический университет,

г. Донецк, Украина

Приладобудування — 2008 / Матеріали VII науково-технічної конференції. —Київ, КПI — 2008, с. 77-78.

У даній статті розглянута проблема вимірювання тиску на виході компресора К-250. Описані характеристики технологічного процесу. Проаналізовані типи датчиків тиску, описані достоїнства і недоліки кожного з них. Розроблена структура тензометрічного датчика типа МШТ. Вибраний прототип, зображена і охарактеризована його структурна схема.

Актуальность проблемы. Главным путем для повышения производительности промышленных предприятий, а также для снижения травматизма является механизация и автоматизация основных и вспомогательных технологи­ческих процессов

На Украине имеется большое количество заводов, в которых необходимо следить за давлением (газопровод, водопровод, подача различных составляющих воздуха) в целях исключения чрезвычайных ситуаций и эвакуационных работ на месте происшествия. При их эксплуатации важно наличие возможности контроля нагрузок в элементах трубопровода, возникающих под воздействием внешних и внутренних факторов. Это позволит оперативно реагировать на опасные изменения и избежать аварийных ситуаций.

Для обеспечения бесперебойной работы механизмов постоянно или периодически необходим сжатый воздух, под определенным давлением. Для этого на предприятии используются воздушные компрессора различных типов.

Для В кислородно-компрессорном цехе, а конкретно в системе снабжения завода кислородом и азотом, в качестве контролируемых параметров обычно выбирается  давление на выходе компрессора К-250 (К-1500). Для того чтобы система снабжения завода кислородом и азотом работала стабильно необходимо знать допустимые значения давление в трубопроводе. Когда величина давления превышает допустимое срабатывает клапан, который выступает в качестве предохранителя.

Кислородно-компрессорный цех содержит 3 участка (см.рис. 1): [1]

1. На участке компрессорного хозяйства атмосферный воздух сжимается в компрессорах и подается в заводскую сеть к цехам завода.

2.Участок кислородной станции включает в себя 2 блока разделения воздуха (БРВ) К-15-3, К11-2 и вспомогательное оборудование. Сырьем для получения продуктов разделения воздуха(азот, кислород) является атмосферный воздух, который подается на БР от воздушных компрессоров. Воздух из компрессоров К-1500 направляется в регенераторы для предварительного охлаждения воздуха до температуры насыщения (-172 С) за счет теплоемкости насадки регенератора (1). Далее воздух направляется в аппараты блока на разделения. Для обеспечения взрывобезопасности оборудования и незабываемости аппаратов используются циклично работающие адсорберы, заполненные силикагелем: кубовой жидкостью, жидким кислородом и СО²

3. На участке компрессии азота и воздуха азот из БРВ КА-15-3 поступает на всос компрессоров, где сжимается до рабочего давления 0.6 МПа и подается по трубопроводу на установку ППУТ доменного цеха. Атмосферный воздух сжимается до рабочего давления 0.6 МПа и подается в заводскую сеть.

Рисунок 1 – Технологический процесс кислородно-компрессорного цеха

Анализ существующих решений. Рассматриваемая проблема включает задачу уменьшения погрешности измерения. Поэтому в области измерения давления сделано множество разработок по увеличению точности измерения, при этом по уменьшению затрат на изготовление датчиков. В настоящее время научные институты предлагают датчики высокого качества которые должны отвечать современным ГОСТам. Датчики давления подключаются через микропроцессор к системе мониторинга за давлением.

Основная часть. Проведем обзор существующих приборов (см.табл. 1.). [2, c.116]. В настоящий момент выпускаются различные датчики для измерения избыточного давления манометры, вакуумметры, моно вакуумметры, дифманометры. и реле давления. Для измерения давления применяются манометры жидкостные и с упругим элементом. Жидкостные манометры, работающие по принципу уравновешивания измеряемого давления или разряжения весом столба жидкости, могут быть применены лишь в лабораторных условиях или для контрольных измерений на гидросмеси. Поэтому нас интересуют манометры и вакуумметры с упру­гим элементом, которые разделяются на пружинные мембранные

Рассмотрим конструкцию отечественного тензоманометра. Датчиком тензоманометра является стакан с дном из тонко защемленной пла­стинки, с внутренней стороны которой приклеен тензодатчик 2 (ФКМГ). Стакан герметизирован пробкой на которой смонтированы разделительный трансформатор питания и подстрочные сопротивления. Пробка снаружи гермети­зируется крышкой, полость которой заливается специальной смесью. Датчики изго­товляются на давления от 16 до 250 кг/см².

Рисунок 2 - Структурная схема измерения давления

На вход первичного преобразователя - мембраны М воздействуют измеряемая величина разности давлений ΔР. В результате воздейст­вия данных величин изменяется мембрана выгибается на расстояние S, воздействуя тем самым на тензорезистор ТР.Тензорезистор соответственно меняет свое сопротивление R, которое включено в схему измерительного моста ИМ. Так как происходит разбаланс ИМ, то в его диагонали возникает напряжение Uo, пропорциональ­ный величине ΔР. Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного напряжения и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485.

В памяти сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результа­ты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.

Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорной блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и далее:

- для датчиков с кодами МП, МП1, МП2, МПЗ передает его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый вы­ходной сигнал или цифровой в стандарте HART (коды МП2, МПЗ);

- для датчиков с кодами МП4, МПЗ при помощи драйвера RS485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи.

Недостатком данной структурной схемы является увеличение погрешности измерения, вследствие того, что промежуточные звенья также обладают собст­венными погрешностями преобразования. Таким образом, данные погрешности необходимо учитывать при нормировании погрешности средства измерения. Рассчитаем данную структурную схему по блокам, [3]

Блок 1 (мембрана) - преобразователь давления, основанный на измерении стрелы прогиба центра балки лежащей на двух опорах (см. рис. 3).

Рисунок 3 - Стрела прогиба

Стрела прогиба равна

где F – приложенная сила в середине балки, l – длина балки, I – момент инерции поперечного сечения балки. Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с шириной a и высотой b, то

Изменение сопротивления R будет выглядеть следующим образом

В продольном сечении

В поперечном сечении 30% от продольного

Суммарное изменение сопротивления :

Блок 3 (Мостовая схема) .При измерении сопротивления тензорезистора используют мостовую (см.рис. 4) или полумостовую схему подключения (см. рис. 5, 6). В качестве сопротивлений R₁ – R₃ обычно используется такие же тензорезисторы, как и измерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. В данном примере при изменении температуры на 1° относительное сопротивление изменится на 10^-4, что соответствует ошибке в измерении веса 10 кг. При использовании в качестве R₁ – R₃ таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Для этого необходимо использовать 6-проводную схему измерения. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара – для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.

Рисунок 4

Рисунок 5

При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

Если сопротивления R₁ = R₂ = R₃ = R , то можно записать:

К примеру если взять тензорезисторы номиналом по 120 Ом, а питание схемы напряжением 1,2 В, ток проходящий по каждому резистору будет составлять 5 мА. При нулевой нагрузке разность потенциалов в мостовой схеме V_изм будет равна нулю, при максимальной нагрузке 800 кг – 3 мВ. В полумостовой схеме измерения при нулевой нагрузке разность потенциалов будет равна 600 мВ, при максимальной нагрузке – 603 мВ. Изменению веса на 1 кг соответствует изменение напряжения на 10 мкВ. При проведении измерений разности потенциалов с помощью АЦП в мостовой схеме необходимо использовать 14-16 разрядный АЦП. В полумостовой схеме – 18-20 разрядный АЦП.

При исследовании обнаружено, что:

- материалы, из которых изготовлены тензодатчики сильно зависят от температуры (что очень важно для измерений, производящихся в различных погодных условиях);

- в них нет автоматической установки на ноль.

Выводы: Проведенный анализ показал существенный ряд недостатков:

- увеличение погрешности измерения, вследствие того, что промежуточные звенья также обладают собст­венными погрешностями преобразования; материалы, из которых изготовлены тензодатчики сильно зависят от температуры (что очень важно для измерений, производящихся в различных погодных условиях);

- в них нет автоматической установки на ноль.

Поэтому целесообразной является задача разработки и анализа исключения недостатков данного прибора.

Литература

1.Техническая документация предприятия

2.Измерения в промышленности Справ. Изд. В 3-х кН. Кн..2. Способы измерения и аппаратура. Пер. с нем./Под ред. Профоса. П. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Металлургия, 1990. 384.

3. http://www.zetms.ru/support/resh/tenzo_theory.php

4. http://www.invert.ru/equipment/davlenie

5. http://www.ispu.ru/library/lessons

6. Забродин Ю.С. - Промышленная электроника: Учебник для вузов – М.: Высш. школа, 1982. – 496 с., ил.