1.7 Монтаж датчиков и согласующие преобразователи аэс

Выше было сказано, что на АЭС для измерения температуры используются в основном термопары и термосопротивления. Выходной сигнал этих датчиков имеет неунифицированный вид и для его дальнейшей обработки нужно использование нормирующих преобразователей и схем компенсации. Термоэдс, возникающая на концах термопары, как реакция на измеряемую температуру, имеет очень малую величину (милливольты), зависит не только от температуры измеряемой среды, но и от температуры холодного спая, а для вычисления температуры по измеренной термоэдс приходится использовать нелинейные функции. Все это накладывает определенные трудности при измерении температуры, которые решаются средствами ТПТС – рассмотрим алгоритмическую сторону этого процесса, не вникая в аппаратную реализацию.

Итак, комплект для измерения температуры с помощью термопары состоит из (рис. 1.22): самой термопары, компенсационного устройства для автоматического введения поправки на изменение температуры холодного спая, удлиняющих проводов и изме­рительного прибора. Между компенсационным устройством и измерительным прибором соединительная линия выполняется одинаковыми (например, медными) проводами.

Компенсационные устройства предназначены для автоматиче­ской компенсации влияния температуры холодного спая на выходной сигнал термопары. Рассмотрим пример: горячий спай термопары помещен в среду с неизвестной температурой t, а холодный спай находится при известной, но ненулевой, температуре t₀. В этом случае, выходной сигнал E_ab(t,t₀), будет содержать информацию как о неизвестной температуре t, так и информацию о температуре холодного спая t₀ (обычно несколько милливольт): Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)–e_AB(t₀). Так как в ГОСТ представлена информация о зависимости между температурой t и эдс Е_АВ(t,t₀) при t₀=0 ⁰C (т.е. Е_АВ(t,0)=f(t)), то составляющая e_AB(t₀) вносит искажения в полезный сигнал и должна быть скомпенсирована, чтобы оставить только составляющую е_АВ(t). Таким образом, компенсационное устройство должно измерять температуру холодного спая t₀ и ставить ей в соответствие напряжение U_ab=e_AB(t₀), которое равно по величине эдс холодного спая e_AB(t₀). В этом случае сигнал термопары будет равен Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)–e_AB(t₀)+U_ab=е_АВ(t) и содержит информацию только о измеряемой температуре t, относительно температуры холодного спая t₀=0 ⁰C. Измерив величину е_АВ(t), по НСХ для заданного типа термопары, можно найти неизвестную температуру t.

Рис. 1.22 Схемы измерения температуры с помощью термопары

Основой компенсационной схемы явля­ется неуравновешенный мост, питаемый источником постоянного напряжения (рис. 1.23). Мост состоит из трех резисторов постоянного сопротивления R₁, R₂, R₃. Чет­вертый резистор R_t изготовлен из медной или платиновой прово­локи и его сопротивление увеличивается с ростом температуры. Этот резистор всегда должен иметь температуру холодного спая, поэтому термопара, подключается к устройству компенсации удлиняющими проводами. Сама мостовая схема включается в линию только одного провода (на рис. 1.23 между зажимами а и b, вторая пара зажимов а'-b' соединяется перемычкой). Между компенсатором и измерительным прибором прокладываются одинаковые монтажные провода (например, медные). Пита­ние мостовой схемы осуществляется от блока питания U_пит. На рис. 1.23 представлен простейший вариант компенсатора для слу­чая, когда нижний предел измерения равен 0 ⁰С. Принцип компенсации заключается в том, что между точками а и b мостовой схемы должно вырабатываться напряжение U_ab, чис­ленно равное эдс e_AB(t₀) при t₀>0: U_ab=e_AB(t₀) при условии, что мост сбалансирован и выдает нулевой сигнал (U_ab=0 В) при t₀=0 ⁰С. Это напряжение суммируется с эдс термо­пары Е_АВ(t,t₀) и поэтому на входе измерительного прибора будет действовать суммарное напряже­ние U_вх: U_вх=е_АВ(t)–e_AB(t₀)+U_ab=е_АВ(t). Очевидно требование к компенсатору: напряжение U_ab должно изменяться при изменении t₀, причем при любой t₀ должно выпол­няться условие U_ab=e_AB(t₀). При анализе схем, содержащих мостовой компенсатор, важно следить за полярностью термоэдс и компенсирующего напряжения U_ab. Используя выражение U_вх=Е(t,t₀)+U_ab следует помнить: 1. в правильно работающем компенсаторе U_ab должно быть равно e_AB(t₀) при любом t₀; 2. в правильно собранной схеме входное напряжение прибора U_вх должно быть равно е_АВ(t). Для мостовой схемы при нулевом внутреннем сопротивлении источника и бесконечно большом сопротивлении нагрузки:

.

При нулевом значении t₀, R₁R_t=R₂R₃ и поправку вводить не нужно, так как измеренная эдс е_АВ(t) отражает зависимость между напряжением и температурой, представленной в НСХ. В этом случае U_ab=0 и мост уравновешен. С ростом t₀ при постоянных R₁, R₂, R₃ увеличивается R_t и растет U_ab. Компенсационное устройство добавляет сигнал U_ab к итоговой эдс Е(t,t₀) и тем самым компенсирует температуру холодного спая t₀, оставляя только полезный сигнал е_АВ(t). В результате на вход измерительного прибора поступает сигнал U_вх=е_АВ(t).

Рис. 1.23 Схема мостового компенсатора температуры холодного спая

И так, мы точно измерили термоэдс е_АВ(t). Теперь остался последний шаг: преобразовать эту термоэдс в температуру. К сожалению, у большинства термопар зависимость термоэдс от температуры в некоторых диапазонах имеет нелинейный характер (рис. слева). Для достижения высокой точности измерений во всем диапазоне температур необходима калибровка. Простейший (и, кстати, наиболее точный) метод калибровки заключается в составлении и размещении в памяти контроллера таблицы соответствия значений термоэдс и температуры – т.е. по сути, в память контроллера заносится табличная НСХ термопар. Единственным серьезным недостатком такого метода является его высокая ресурсоемкость (при широком температурном диапазоне требуется очень большой объем памяти). Поэтому наряду с табличной, используется также полиномиальная аппроксимация Т=A₀+A₁U¹+A₂U²+A₃U³+…+A_nUⁿ. Здесь Т - температура, U - выходное напряжение термопары. Коэффициенты А_j и порядок полинома n определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопары. Измерив, напряжение U, контролер решает представленное уравнение относительно Т и находит неизвестную температуру. Помимо компенсации температуры холодного спая важно правильно выполнять монтаж датчика на объекте измерения. При измерении температуры в малом по диаметру трубопроводе, с целью снижения погрешности, термопары устанавливают либо под углом к потоку (рис. 1.24,а), либо в колене трубопровода (рис. 1.24,б), либо в специальном расширителе (рис. 1.24,в). Все эти меры направлены на увеличение поверхности контакта с измеряемой средой.

Рис. 1.24 Размещение термопреобразователя в трубопроводе

Поскольку выходной сигнал термопары очень мал, необходимо принимать специальные меры для снижения уровня шумов. 1. Соединительные проводники для подключения термопар должны быть изготовлены из материалов с коэффициентом Зеебека, максимально близким к материалам термопары. 2. Необходимо стремиться к максимальному сокращению длины соединительных проводников между термопарой и измерительным устройством. В случае большого удаления термопары от измерителя следует использовать располагаемые в непосредственной близости от термопар специальные модули нормализации сигналов, превращающие эдс в токовый сигнал (например, 4-20 мА) или непосредственно в цифровой код. 3. Как можно шире использовать экранирование термопар и соединительных проводов для борьбы с помехами общего вида. 4. Использовать фильтрацию сигналов для снижения уровня ВЧ-помех. 5. При многоканальных измерительных системах использовать метод временного отключения не используемых в данный момент групп каналов для предотвращения суммирования их шумов с сигналом измеряемого канала.

Для измерения температуры с помощью термосопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Двухпроводная схема измерений (рис. 1.25,а) использует косвенный метод измерений, при котором измеряется напряжение V_x на сопротивлении R_x, вызванное протекающим калиброванным током I_ех. Реже задается калиброванное напряжение V_x и измеряется ток I_ех. Возможен вариант, когда одновременно измеряются как ток, так и напряжение при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях сопротивление R_x рассчитывают по формуле R_x=V_x/I_ex. Затем исходя из статической характеристики датчика R_х=f(T) находят неизвестную температуру.

Рис. 1.25 Двух- и четырехпроводная схемы измерения температуры

В связи с тем, что сопротивление металлических датчиков мало, большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов R_пр. Поэтому двухпроводная схема измерений используется, когда сопротивления R_пр малы, например не превышают 0,1 % от сопротивления датчика R_х, т.е. для медного датчика ТСМ50 с R_х=50 Ом сопротивление проводов должно быть не более 0,05 Ом. При использовании проводов сечением 0,35 мм² с погонным сопротивлением 0,049 Ом/м длина пары проводников для этого случая не должна превышать 0,5 м. Принцип действия четырехпроводной схемы (рис. 1.25,б) основан на измерении напряжения не на выводах источника тока, как на рис. 1.25,а, а на выводах непосредственно сопротив­ления R_x. При этом падение напряжения на сопротивлении проводов R_пр не влияет на результат измерения. Расстояние от модуля ввода до датчика при четырехпроводной схеме из­мерений ограничивается только уровнем помех, который растет пропорцио­нально длине проводов.

После рассмотрения схем измерения температуры, коротко остановимся на датчиках давления. На АЭС для измерения давления используются датчики серии Метран-22-АС-МП. АС – означает исполнение датчика для атомных станций, МП – в состав датчика входит микропроцессорная схема нормализации. Датчик состоит из преобразователя давления, аналогового электронного блока и микропроцессорного модуля (рис. 1.26). При деформации чувствительного элемента под воздействием измеряемой величины (например, Р или ΔР) изменяется сопротивление тензорезисторов мостовой схемы, что вызывает разбаланс моста. Напряжение U_P, несущее информацию об измеряемом давлении, с выхода мостовой схемы, поступает на вход АЦП, куда также подается сигнал U_t, характеризующий температуру окружающей среды. Плата АЦП принимает аналоговые сигналы U_P и U_t и преобразует их в цифровой код. Энергонезависимая память АЦП предназначена для хранения коэффициентов коррекции датчика давления. Микроконтроллер принимает цифровой сигнал АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики датчика и передает его в ЦАП. ЦАП преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в аналоговый токовый сигнал 4…20 мА.

Рис. 1.26 Устройство датчика давления Метран-22-АС-МП

Установка датчика давления в трубопроводе должна производиться таким образом, чтобы свести к минимуму влияние на процесс измерения таких факторов, как а) высокие температуры энергоносителя и окружающей среды, б) вибрации трубопровода, в) химическая агрессивность среды, г) взрывоопасность, д) электромагнитные помехи и радиация. С учетом характеристик датчиков и условий окружающей среды, датчики устанавливаются либо непосредственно на трубе в месте измерения давления, либо дистанционно на настенной панели с подводкой к измеряемой среде посредством соединительных трубок. Соединительные трубки (металлические) используются с целью снижения температуры измерительной среды до допустимого уровня. Трубки не должны вносить дополнительные погрешности в измерения и с этой целью их надлежит заполнять однофазной несжимаемой средой (рис. 1.27). Это достигается подключением трубок к горизонтальному трубопроводу с середины его профиля при измерении давления жидких сред и сверху - при измерении газовых сред, а также прокладкой соединительных трубок с уклоном в сторону, обеспечивающую удаление газов (уклон вниз) или конденсата (уклон вверх) в измеряемую среду трубопровода. В этих же целях необходимо размещать датчик для жидких сред ниже уровня отбора давления, а для газовых сред - выше этого уровня. Если такие условия трудновыполнимы, то в соединительных линиях предусматривают газосборники со спусковыми клапанами (их функцию в ряде случаев могут выполнять уравнительные клапаны) или конденсатосборники с дренажными клапанами (вентилями) для периодического удаления побочной среды.

Рис. 1.27 Схема установки ИПД на трубопровод при измерении давления газа, жидкости и пара при размещении ИПД ниже (а,в,д) и выше (б,г,е) уровня отбора давления: ЗК – запорный клапан, УК – уравнительный клапан, СК – спусковой клапан, ДК – дренажный клапан, КС – конденсационный сосуд, ЖД - жидкость