Technické zariadenia riadiacich systémov

Transcript

1

2 Kapitola 7 Technické zariadenia riadiacich systémov Základným predpokladom úspešného riadenia procesov je ich pripravenosť pre riadenie. Úspešnosť riadenia závisí však aj od pripravenosti technických zariadení riadiacich systémov realizovať algoritmy riadenia. Pre praktické účely riadenia nestačí probém riadenia redukovať na problém matematického modelu procesu a matematické vyjadrenie algoritmu riadenia, ale treba venovať náležitú pozornosť aj výberu a návrhom technických zariadení riadiacich systémov. Riadiace zariadenie treba chápať ako súhrn technických zariadení na získanie informácií o riadenom procese, na prenos týchto informácií, na spracovanie týchto informácií, takým spôsobom, aby boli splnené ciele riadenia. 7. Bloková schéma riadiaceho systému Principiálna schéma riadiaceho systému pre prípad jednej akčnej a jednej výstupnej veličiny procesujenaobr.7... Merací člen prostredníctvom snímača zisťuje hodnotu výstupnej veličiny procesu a túto informáciu mení na signál, ktorý je vhodný na prenos informácie o výstupnej veličine. Regulátor spracováva informácie o výstupnej veličine procesu a o žiadanej veličine. Výstupný signál z regulátora prostredníctvom výkonného zosilňovača pôsobí na ovládanie pomocnej energie potrebnej na to, aby servomotor mohol ovládať regulačný orgán, ktorým sa priamo ovplyvňuje akčná veličina procesu. Okrem spätnoväzbového systému riadenia patrí medzi technické zariadenia riadiacich systémov aj zariadenie pre styk s obsluhou,(obrazovka, klávesnica). Prístrojom a zariadeniam, ktoré sa používajú pri riadení technologických procesov hovoríme automatizačné prostriedky. Technicky je možné realizovať automatizačné prostriedky na mechanickom, elektrickom, pneumatickom alebo hydraulickom princípe. Vzhľadom na výhodné vlastnosti elektrických signálov, elektrické automatizačné prostriedky sú v praxi prevládajúce. Realizácia algoritmov riadenia sa robí vsúčasnostivriadiacompočítači,takžeregulátorsúčasnostinieje kusželeza,ktorýsadáchytiť do ruky ako napr. pneumatický regulátor. V chemickom a potravinárskom priemysle je často používaný pneumaticky ovládaný regulačný orgán. Z hľadiska výstupnej regulovanej veličiny existujú v chemickom a potravinárskom priemysle spätnoväzbové riadiace systémy na riadenie teploty,

3 38 Technické zariadenia riadiacich systémov Merací len Sníma Prevodník Žiadaná hodnota Prevodník Realizácia zákona riadenia Výkonový zosil ova servomotor Regula ný orgán Obsluha Regulátor P R O C E S Obr. 7..: Principiálna bloková schéma riadiaceho systému tlaku, výšky hladiny, prietoku, zloženia. Z hľadiska funkcie delíme automatizačné prostriedky na prostriedky na získanie informácie o procese, prostriedky na prenos informácie, prostriedky na spracovanie informácie, prostriedky na realizovanie akčných zásahov. 7. Základné značky v meraní a regulácii Pretože meracia a automatizačná technika predstavuje neoddeliteľnú súčasť výrobných technológií, v technologických schémach sa súčasne uvádzajú aj miesta umiestnenia meracích a akčných členov, ich funkčné prepojenie a správanie sa akčných členov pri prerušení dodávky pomocnej energie. Pritom sa neberú do úvahy ani konštrukčné vlastnosti ani pracovné médium použitých prístrojov, ale vyjadruje sa ich funkcia pri sledovaní a riadení technologického procesu. Zásady kreslenia schém MaR opisujú štandardy. Na Slovensku je v súčasnosti stále platný štandard STN ISO 35, prebratý z medzinárodného štandardu ISO z 80. rokov minulého storočia. Norma STN ISO 35 opisuje označovanie schém merania a riadenia v technologických schémach. Konkrétne norma STN ISO 35-(Funkčné značenie merania a riadenia v priemyselných procesoch- Označovanie,. časť: Základné značky) zavádza sústavu značiek používajúcich na znázorňovanie funkcií meracích a riadiacich prostriedkov vo vzťahu k technologickým zariadeniam, s ktorými funkčne súvisí. Úlohou značiek je predovšetkým interpretácia funkcií prístrojov a nie sú určené na vyznačenie ich funkčných princípov a spôsobu vyhotovenia. Základné značky sú vytvorené s grafického symbolu, písmenkového kódu, prípadne číselného označenia. Značky snímačov s miestnou signalizáciou sú tvorené kružnicou o priemere 0 mm(alebo elipsou, ak je treba viac miesta na označenie). Táto je pripojená čiarou k odbernému miestu. Prístroj umiestnený na paneli má v strede vodorovnú čiaru.

4 7. Základné značky v meraní a regulácii 39 LC FR 3 H Obr. 7..: Značky v schémech merania a regulácie. Zľava: miestny prístroj, prístroj v paneli, všeobecný regulačný orgán, ventil, automatický pohon otvárajúci sa pri prerušení energie, automatický pohon s ručným ovládaním zatvárajúci sa pri prerušení energie, pohon s ručným ovládaním pri prerušení energie ostáva v pôvodnej polohe // LC // // LT Obr. 7..: Príklad zjednodušenej schémy riadenia výšky hladiny Regulačné orgány bez bližšieho vysvetlenia sa značia rovnostranným trojuholníkom o strane asi5mm.aksajednáokonkrétnyznámyregulačnýorgán,používasanormalizovanáznačka pohon ako kružnica o priemere 5 mm a ventil ako dva trojuholníky spojené jedným vrcholom. U pohonov môže byť naznačené šípkou ich funkcionalita v prípade prerušenia energie. Príklady značiek sú na obr Vzájomné prepojenie signálnych členov, regulátorov a akčných členov sa označuje tenkou čiarou preškrtnutých v pravidelných intervaloch čiarou so sklonom 60 stupňov. Ak však nemôže dôjsť k nedorozumeniu, škrtanie sa vypúšťa. V prístroji sa uvádza písmenkový kód, ktorý určuje druh sledovaniej veličiny, spôsob spracovania informácie a spôsob signalizácie. Prvým písmenom je typ meranej alebo riadenej veličiny. Potom môže nasledovať jej upresnenie(diferencia, pomer). Ďalšie písmená charakterizujú zobrazovaciu alebo výstupnú funkciu zariadenia, a teda určujú, či ide o snímač, regulátor alebo vysielač. V dolnej polovici sa píše číslo jednoznačne identifikujúce prístroj. Najčastejšie sa vyskytujúce označenia pre sledovanú veličinu: teplota(t temperature), tlak (P pressure),prietok(f flow),hladina(l level),rýchlosť(s speed),hustota(d density). Upresnenie veličiny: rozdiel(d difference), pomer(f fraction). Spracovanie veličiny: ukazovanie(i indication), zapisovanie(r registration), regulácia (C control), signalizácia(a alarm). U signalizácie môže byť uvedené aj upresnenie: dolný (L low),horný(h high). Značky na obr. 7.. teda ukazujú reguláciu výšky hladiny lokálne(lc) a zapisovač prietoku (FR) vsadený na paneli a v schémach označený číslom 3. Príklad zjednodušenej schémy riadenia výšky hladiny je na obr. 7...

5 40 Technické zariadenia riadiacich systémov 7.3 Meranie a meracie členy Aby sme dobre poznali celý uzavretý systém riadenia ako celok, potrebujeme dobre poznať všetky jeho časti. Zatiaľ sme sa podrobne zaoberali dynamickými vlastnosťami riadených procesov. Jednýmzprepokladov dobrého riadeniaje dobré meranie.postupnesabudemezaoberaťmeraním veličín, ktoré sa často vyskytujú v chemickom a potravinárskom priemysle. Meria sa nielen za účelom riadenia, ale aj za účelom získania charakteristík procesu, či už statických, alebo dynamických charakteristík. Pri meraní je dôležitá presnosť merania s akou získavame namerané výsledky. V chemickom a potravinárskom priemysle sa najčastejšie meria teplota, tlak, tlaková diferencia, výška hladiny, prietok, atď Meranie teploty Teplota je stavová veličina, ktorá charakterizuje energetický stav látky. Priamo merať teplotu nejakého telesa alebo prostredia nemožno. Určujeme ju len podľa zmeny fyzikálnych vlastností niektorej inej tzv teplomernej látky, ktorá je určitým spôsobom v styku s telesom alebo prostredím, ktorého teplotu meriame. Pri meraní teploty, t.j. pri zisťovaní, ktorému stupňu teplotnej stupnice hľadaná teplota prináleží, musíme vychádzať z určitého javu, závislého len od teploty. Treba poznať vzťah A ϑ = f(ϑ) (7.3.) kde A ϑ jeveličinapresnemerateľnániektorýmzoznámychspôsobov.podstatnájeznalosťfunkčnéhovzťahumedzi A ϑ ateplotou ϑ.vpraxisameriateplotateplomermi,ktorésúzaloženéna rôznych princípoch. Podľa parametra, ktorý si zvolíme za určujúci, delíme teplomery na: dilatačné a bimetalové, tlakové, odporové, termoelektrické, atď. Dilatačné a bimetalové teplomery Princíp činnosti dilatačných teplomerov pozostáva v meraní zmeny relatívnej dĺžkovej rozťažnosti dvoch materiálov pri zmene teploty. V uzavretej trubici(obr. 7.3.), ktorá je zhotovená z materiálu s veľkým teplotným súčiniteľom dĺžkovej rozťažnosti(napr. z mosadze, ocele), je umiestnená tyč z materiálu s veľmi malým súčiniteľom dĺžkovej rozťažnosti(napr. z invaru). Pohyb voľného konca tyče sa prenáša pomocou pákového prevodu na ukazovací systém. U bimetalových teplomerov sa jedná o nerovnakú dĺžkovú rozťažnosť dvoch kovových doštičiek po celej dĺžke pevne spojených bimetalový pásik, ktorého jedna časť sa s teplotou rozťahuje inak, ako druhá(obr. 7.3.). Pre výchylku platí približne vzťah m θ = k tr L d (α α ) ϑ (7.3.) kde k tr jekonštanta, α, α koeficientytepelnejrozťažnostiad=d + d. Teplomery založené na objemovej rozťažnosti kvapalín sa používajú veľmi často. Medzi ne patria aj ortuťové teplomery. Ortuťový teplomer sa skladá zo sklenenej nádobky a z kapiláry, ktorá vybieha z nádobky. Ortuťová náplň sa s rastúcou teplotou rozťahuje, čo sa dobre dá sledovať na pohybe menisku v kapiláre.

6 7.3 Meranie a meracie členy 4 L L Obr. 7.3.: Dilatačný teplomer L d d mθ Obr. 7.3.: Bimetalový merač teploty

7 4 Technické zariadenia riadiacich systémov U ϑ s t ϑ Obr : Termočlánok Odporové teplomery Ďalšími meračmi teploty sú odporové teplomery. Sú založené na tom, že vplyvom teploty sa mení elektrickýodporvodiča.pričistýchkovochsaodpormeníprizmeneteplotyz0 o Cna00 o Casi o40%.prezmenuodporusteplotouplatípribližnevzťah R ϑ = R 0 (+αϑ+βϑ ) (7.3.3) kde R ϑ jeodporvodičapriteplote ϑ o C, R 0 odporvodičapri0 o C, α, βmateriálovékonštanty, ϑ meranáteplotav o C. Požiadavkanaodporovéteplomeryje,abyplatilarovnica(7.3.3),čomuvrozsahuod 00 o C do550 o Cdobrevyhovujeplatina,ktorásaajnajviacpoužíva. Výhodami odporových teplomerov sú jednoznačná závislosť odporu od teploty, ktorá umožňuje ľubovoľnú voľbu meracieho rozsahu, možnosť prenosu údajov na diaľku a veľká presnosť merania. Termočlánky Teplotu je možné merať aj pomocou termočlánkov. Takéto meranie je založené na termoelektrickom jave. Termoelektrické napätie, ktoré vzniká na porovnávacom konci termočlánku U, je závislé na teplote v mieste meracieho(teplého) spoja(obr ). Pre napätie U približne platí: U= α 0 + α ϑ+α ϑ (7.3.4) kde α 0, α, α súkonštanty. Pritomtosapredpokladá,žeteplota ϑ st jekonštantná.najpoužívanejšítermočlánokjetzv. Fe-Ko, t.j. železo-konštantán(niklový bronz), pri ktorom je zmena termoelektrického napätia 5, mvna00 o C.Používasaod 00 o Cdo700 o C. Bezdotykové teplomery Bezdotykové teplomery, nazývané pyrometre, využívajú na meranie teploty tepelné sálanie a žiarenie, ktoré vysiela meraný objekt Meranie tlaku a tlakovej diferencie Prístroje na meranie tlaku sa vo všeobecnosti nazývajú tlakomery. V závislosti od druhu meraného tlaku sa špecifikujú: manometre(na meranie pretlakov), vákuometre(na meranie vákua), mano vakuometre(na meranie pretlaku aj podtlaku), ťahomery(na meranie malých podtlakov) a diferenčné tlakomery(na meranie rozdielu dvoch tlakov). Podľa fyzikálneho princípu činnosti snímača tlaku delíme tlakomery na: kvapalinové meradlom veľkosti meraného tlaku je výška stĺpca kvapaliny, ktorú obyčajne pre ďalšie spracovanie údajov prevádzame na inú fyzikálnu veličinu, napr. na mechanickú výchylku,

8 7.3 Meranie a meracie členy 43 a b c P P P y y y Obr : Membránový, vlnovcový tlakomer a Bourdonova trubica piestové meradlom veľkosti meraného tlaku je veľkosť závažia a napätia pružín, deformačné meradlom veľkosti meraného tlaku je veľkosť deformácie pružného tlakomerného prvku(prevádzané na mechanickú výchylku), elektrické meradlom veľkosti meraného tlaku je zmena niektorej elektrickej veličiny, napr. odporu, prúdu, napätia alebo elektrického náboja. Deformačné manometre Činnosť deformačných tlakomerov je založená na využití pružnej deformácie tlakomerného prvku pri pôsobení daného tlaku. Ich výhodou je malý rozmer, malá hmotnosť, široký merací rozsah, pomerne vysoká citlivosť, spoľahlivosť a konštrukčná jednoduchosť. Naproti tomu nevýhodou je, že ich merací systém má elastické dopružovanie a vplyvom trvalej prevádzky vzniká trvalá deformácia tlakomerného prvku. Medzi nevýhody patrí aj malá výchylka meracieho prvku a tým aj potreba vkladania prevedového mechanizmu medzi deformačný prvok a ukazovací systém. Podľa typu meracieho prvku delíme deformačné tlakomery na trubicové, membránové, vlnovcové a krabicové(obr ). Najčastejšie používaným manometrom je trubicový manometer Bourdonova trubica. Manometre s Bourdonovou trubicou pracujú s pomerne veľkými silami pri malých dráhach. Pasívne odpory v prevodoch oproti prestavujúcej sile sú veľmi malé aj vtedy, keď sa používajú veľké prevody. Pri deformačných manometroch sa prejavuje dopružovanie, t.j. oneskorené dobiehanie do konečnej polohy, ktorá zodpovedá danému konečnému tlaku. Pri stúpajúcom a klesajúcom tlaku pozorujeme aj hysteréziu. Trubica Bourdonovho manometra má kruhový tvar, na voľnom konci je uzavretá, na pevnom konci otvorená a tento otvor je spojený s priestorom, kde meriame tlak. Trubica má oválny prierez. Tvar prierezu trubice závisí od veľkosti meraného tlaku: čím vyšší je tlak, tým oválnejší je prierez. Pri zväčšovaní tlaku v trubici sa oválny prierez snaží dostať do kruhového tvaru, objem trubice sa zväčšuje a tým sa vlastne vykonáva deformačná práca, ktorej dôsledok je pohyb voľného konca trubice. Pre menšie tlaky sa robia trubice plochšie s tenšími stenami, pre vyššie tlaky sú steny hrubšie. Vhodnou voľbou hrúbky steny a prierezu trubice získavame manometre pre rôzne rozsahy tlakov.

9 44 Technické zariadenia riadiacich systémov p p S ρ h h h Obr : Funkčná schéma kvapalinového U-manometra ρ Treba si uvedomiť, že deformačný manometer s Bourdonovou trubicou meria tlak oproti okolitému tlaku. Pri meraní musíme zabezpečiť stálu teplotu, jednak z vonkajšej strany trubice a jednak z vnútornej strany, teda takú, pre akú je manometer ciachovaný. Vplyvom starnutia, alebo zmenených podmienok neudávajú Bourdonove trubice celkom presné hodnoty, preto ich treba ciachovať. To platí aj pre ďalšie deformačné manometre, ktorými sú membránové manometre a vlnovce. Kvapalinové manometre Vúvodekmeraniutlakuatlakovejdiferenciesmepovedali,žepodľaprincípuprácesanameranie tlaku používajú okrem deformačných manometrov aj kvapalinové manometre. Kvapalinové manometre pracujú na princípe U-rúrky. U-rúrkami môžeme merať pretlaky, podtlaky a tlakové diferencie. U-manometer je v podstate sklená trubica zohnutá do tvaru U(obr ), naplnená lakomernoukvapalinouhustory ρ.pritlakovejdiferenciivmeranomprostredí p=p p vprostredí shustotou ρ savychýlistĺpeckvapalinyovýšku haplatí p=(ρ ρ )gh (7.3.5) Ak ρ ρ,potommôžeme ρ zanedbať. Kvapalinové manometre mávajú rôznu konštrukciu. Ak U-rúrku upravíme tak, že jedno rameno rozšírime z prierezu f na F(obr ), môžeme tlak odčítavať len pomocou zmeny výšky hladiny h vjednomramenesprierezom f.takýtomanometersanazývanádobkovýkvapalinový manometer. Pretlaky p a p platí ďalej platí p p = ρh g+ ρh g (7.3.6) Fh = fh Tlakovýrozdiel p=p p určímezrovnice ( p=gθh + f ) F (7.3.7) (7.3.8) kde ρjehustotakvapaliny.podľaveľkostiplôch f a F môžemeniekedy f/f oprotijednotke zanedbať.

10 7.3 Meranie a meracie členy 45 p p h f h F Obr : Nádobkový kvapalinový manometer h Obr : Kapacitný tlakomer Eletrické manometre Podľa princípu činnosti delíme elektrické manometre napríklad na odporové, kapacitné, piezoelektrické atď. Odporové tlakomary sa používajú nameranie extrémne vysokých tlakov. Princípom merania tlaku je stlačenie odporového drôtu pri vysokom tlaku a meranie zmeny odporu. Pri kapacitných tlakomeroch sa využíva zmena kapacity plošného kondenzátora pri zmene meraného tlaku(obr ). Zmenou meraného tlaku sa mení vzdialenosť h medzi membránou a elektródou, a teda aj kapacita kondenzátora. Piezoelektrické tlakomery sú prakticky bezzotrvačné a využívajú sa na meranie rýchlo sa meniacich tlakov. Princíp činnosti je založený na využití javu, že na povrchu kryštálov niektorých látok(napr. kremeň) sa pri mechanickej deformácii objaví elektrický náboj. Tento jav sa nazýva piezoelektrickým javom. Veľkosť vzniknutého náboja závisí od sily pôsobiacej na povrch piezoelektrickej doštičky.

11 46 Technické zariadenia riadiacich systémov Obr : Typy škrtiacich prvkov: clona, dýza, Venturiho trubica Meranie množstva a prietoku V chemickom a potravinárskom priemysle sa často stretávame s úlohou zmerať okamžitú hodnotu prietoku pohybujúcich sa látok, resp. zmerať množstvo stojacej látky, napr. v nádrži. Množstvo stojacích látok môžeme merať vážením, objemovým meraním množstva. Pevné látky v pohybe môžeme merať vážením na dávkovacích alebo pásových váhach. Ak ide o meranie prietoku pohybujúcich sa kvapalín a plynov, meriame pomocou objemových meradiel, rýchlostných meradiel, pomocou merania rýchlostného profilu, škrtiacich orgánov, atď. Najčastejšie sa prietok meria meraním rýchlostného profilu a škrtením. Pri meraní prietoku prúdiacej látky pomocou merania rýchlostného profilu v potrubí určíme prietok látky prúdiacej potrubím zo strednej rýchlosti v potrubí a zo známeho vnútorného prierezu potrubia. V potrubí, v ktorom je laminárne prúdenie, rýchlostný profil prebieha podľa parabolickej závislosti. V potrubí, v ktorom je prúdenie turbulentné, nedá sa rýchlostný profil matematicky opísať. Na získanie strednej rýchlosti pri turbulentnom prúdení je potrebné zmerať v potrubí miestne rýchlosti. Miestne rýchlosti možno ľahko zmerať pomocou merania statického a dynamického tlaku vpotrubí.pritomtomernízabudujemedopotrubiadverúrkytak,žejednarúrkamáústieotočenéprotismeruprúdeniaadruhárúrkamáústiekolmonasmerprúdenia.zaúčelommerania rýchlosti pomocou merania statického a celkového tlaku boli skonštruované Prandtlove, Brabého a Pitotove trubice. Prietok prúdiacej látky v kruhovom potrubí sa najčastejšie meria škrtením pomocou clôn, dýz a Venturiho trubíc(obr ). Pre všetky tieto škrtiace orgány platí tá istá základná rovnica, ktorú si odvodíme pre pomery podľa obr Na začiatku budeme predpokladať, že potrubím podľa obr bude prúdiť nestlačiteľnálátka,t.j.hustotavmiesteiaiisabuderovnať ρ I = ρ II = ρ (7.3.9) PrierezjezoškrtenývmiesteIII.PrierezpotrubiavmiesteI,vktoromprietoknieješkrtením ovplyvnený, je F= πd 4 Prierez potrubia v mieste III je f= πd 4 ZrovnicekontinuitypreprierezIaIImôžemepísať (7.3.0) (7.3.) c I Fρ=c II f 0 ρ=c II µfρ (7.3.) alebo c II µf= c I F (7.3.3)

12 7.3 Meranie a meracie členy 47 D f f 0 I III II Obr : Schematické znázornenie škrtiaceho orgánu v potrubí kde c I a c II súrýchlostivmiesteiaiiaµsúčiniteľzúženia(kontrakcie). Bernoulliho rovnica pre miesto I a II vo vodorovnom potrubí je c I + P I ρ = c II + P II ρ (7.3.4) kde P I a P II súabsolútnetlakyvmiestachiaii. Z ostatných dvoch rovníc s označením m= f F, P= P I P II (7.3.5) jerýchlosťvmiesteii P c II = ρ( µ m ) (7.3.6) PrietokvmiesteIIbude M= αf Pρ (7.3.7) kde α=µξ/ µ m jeprietokovýsúčiniteľaξstratovýsúčiniteľ. Prietokový súčiniteľ α sa určuje meraním závislosti od m. Súčiniteľ α(m) závisí od tvaru škrtiaceho orgánu. Pri odvodení rovnice(7.3.7) sme sa dopustili chyby v tom, že sme predpokladali nestlačiteľnú látku. Tento predpoklad je však splnený len pri meraní prietoku kvapalín. Ak meriame stlačiteľné prostredie(vzduch a pod.), zmenu ρ nemôžeme zanedbať. Za účelom praktického merania prietoku škrtením sa rovnica(7.3.7) dopĺňa o expanzný súčiniteľ, o opravný súčiniteľ na Reynoldsovo číslo, o opravný súčiniteľ na drsnosť potrubia, atď. Plavákové prietokomery(rotametre) pozostávajú zo zvislej kužeľovej trubice, ktorej prierez sa zdola nahor zväčšuje a rotačného telieska plaváka, ktorý je pretekajúcou látkou nadnášaný (obr ). Podľa princípu patria rotametre k škrtiacim orgánom, ale s tým rozdielom, že kým pri clonách je prierez potrubia konštantný a mení sa tlaková diferencia, pri plavákových prietokomeroch je tlakový spád v mieste zúženia stály a mení sa prietokový prierez.

13 48 Technické zariadenia riadiacich systémov Dmax D d L Dmin Obr : Funkčná schéma plavákového pretokomera Dynamické vlastnosti meračov prietoku sú veľmi dobré. Kým prechodové javy priemyselných procesov trvajú často aj niekoľko desiatok minút, časové konštanty meračov prietoku bývajú rádove v sekundách. Vzhľadom na to môžeme pri meračoch prietoku zanedbávať zotrvačné oneskorenie. Netreba zabudnúť, že merače prietoku bývajú často nelineárne, ako napr. clony. Za merače prietoku bývajú zaraďované preto ešte nelineárne prevodníky. Výsledok zapojenia nelineárneho merača prietoku a nelineárneho prevodníka je lineárna závislosť výstupnej veličiny z prevodníka od prietoku Meranie výšky hladiny Meranie a regulácia výšky hladiny kvapalných a sypkých látok v chemickom a potravinárskom priemysle má význam nielen z hľadiska bilancie, ale aj riadenia kontinuálnych výrob(keď výška hladiny ovplyvňuje priebeh regulačného procesu). Prístroje na meranie výšky hladiny kvapalín delíme podľa toho, či fyzikálne parametre média majú vplyv na údaj meracieho prístroja(meranie ponorným telesom pomocou hydrostatického tlaku, prevzdušňovaním, vážením, a pod.), alebo nemajú vplyv na údaj meracieho prístroja(meranie hladiny plavákom, ultrazvukom, pomocou elektród a pod.). Pri voľbe vhodnosti použitia danéhp prístroja musíme mať na zreteli: tlakové pomery v nádobe(otvorené nádoby s atmosférickým tlakom alebo uzavreté nádoby s pretlakom alebo podtlakom nad hladinou) požiadavku na spôsob merania(alebo riadenia) výšky hladiny(spojité kontinuálne alebo nespojité polohové) fyzikálne vlastnosti média, ktorého výšku hladiny meriame(korozívnosť, agresívnosť média, stupeň nebezpečenstva výbuchu, teplota tuhnutia, a pod) prevádzkové podmienky(penenie, vlnenie hladiny, teplota a pod).

14 7.3 Meranie a meracie členy 49 Obr. 7.3.: Meranie výšky hladiny pomocou plaváku Podľa spôsobu merania výšky hladiny kvapalných látok poznáme hladinomery plavákové, s ponorným telieskom, s meraním hydrostatického stĺpca kvapaliny, s prevzdušňovaním, ultrazvukové, rádioizotopové, kapacitné, víbračné a iné. Plavákové hladinomery Pomocou plaváka môžeme merať výšku hladiny kvapaliny alebo medzihladiny medzi dvoma navzájom sa nemiešajúcimi kvapalinami. Plavák je duté teleso, ktoré sleduje zmeny výšky hladiny a jeho pohyb sa prenáša na ukazovací systém(obr. 7.3.). Meranie hladiny ponorným telesom Ponorným telesom je možné merať výšku hladiny kvapalín v otvorených i uzavretých nádobách. Princíp merania hladiny pomocou ponorného telesa je založený na zdvihu telesa pomocou vztlakovej sily. Predpokladajme, ze meriame výšku hladiny kvapaliny v otvorenej nádobe pomocou ponorného telesa zaveseného na pružinovom závese(obr. 7.3.). Pri nulovej hladine celá sila, ktorou pôsobí teleso na pružinový záves, je kompenzovaná silou stlačenej pružiny. Ukazovacia rúčka je spojená ťahadlom telesa a pružinou ukazujúcou na stupnici prístroja nulovú výchylku. Postupne, ako sa bude zvyšovať hladina kvapaliny, bude sa aj zväčšovať vztlaková sila, ktorá nadľahčuje ponorné teleso a uvoľnuje pružinu. Výchylka rúčky meracieho systému y je súčasne meradlom zmeny výšky hladiny h. Meranie hladiny pomocou hydrostatického stĺpca kvapaliny Pomocou hydrostatického tlaku stĺpca môžeme merať výšku hladiny kvapaliny alebo medzihladiny dvoch nemiešajúcich kvapalín v otvorených alebo uzavretých nádobách. Tlak hydrostatického stĺpca kvapaliny obyčajne meriame deformačnými tlakomermi alebo kvapalinovými diferenčnými tlakomermi. Príklad merania výšky hladiny kvapaliny v tlakovej nádobe s kondenzujúcimi parami pomocou merania hydrostatického tlaku stĺpca kvapaliny je uvedený na obr Pretože meriame výšku hladiny kvapaliny s kondenzujúcimi parami, musíme použiť kondenzačnú nádobku, ktorá udržuje konštantnú výšku stĺpca kvapaliny medzi miestom odberu(ktoré sa volí vyššie ako maximálna možná výška hladiny v tlakovej nádobe) a meracím prístrojom. Za redpokladu, že v impulznom potrubí je kvapalina rovnakej teploty, a teda aj rovnakej hustory, môžeme napísať rovnicu rovnováhy hydrostatických tlakov v dvoch ramenách meracieho

15 50 Technické zariadenia riadiacich systémov y h Obr. 7.3.: Meranie výšky hladiny pomocou ponorného telesa ρ p ρ h H ρ h 0 ρ h ρ n Obr : Princíp merania výšky hladiny pomocou hydrostatického tlaku

16 7.4 Prenos signálu t G U S Obr : Princíp merania výšky hladiny ultrazvukovým hladinomerom prístroja(kvôli názornosti výpočtu ako merací prístroj použijeme kvapalinový U-manometer). gρ (H+ h 0 + h)=g(ρ p (H h)+ρ h+ρ h 0 + ρ n h) (7.3.8) kdeindexyhustôtsú: paranakvapalinou, teplákvapalina,3 kondenzát, n náplň manometra. Jednoduchými úpravami získame závislosť medzi jednotlivými výškami h=h ρ ρ p ρ n ρ h ρ ρ p ρ n ρ (7.3.9) Akustické(ultrazvukové) hladinomery Princíp činnosti týchto hladinomerov je založený na meraní času prechodu ultrazvukového impulzného signálu od vysielača po meranú hladinu a späť(obr ). Generátor ultrazvukového signálu pomocou vysielača vysiela impulzný signál do nádoby, v ktorej hladinu meriame. Signál sa v meranom médiu šíri k rozhraniu prostredí. Vplyvom rozdielneho akustického odporu od rozhrania prostredí sa odráža k prijímaču 3, ktorý vysiela elektrický impulz cez zosilňovač 4 a čítač časového intervalu 5 do registračného zariadenia 6. Ultrazvukové hladinomery majú široký merací rozsah. Ich presnosť klesá so stúpajúcou viskozitou. 7.4 Prenos signálu Rozmanitosť rôznych typov snímačov je daná veľkým počtom rôznych meraných veličín, rozdielnymi rozsahmi meraných hodnôt, spôsobmi snímania meraných veličín a požiadavkami na kvalitu merania. Výstupnou veličinou meračov býva mechanická výchylka, sila, tlak, elektrické napätie atď. Tieto výstupné veličiny nie sú vždy vhodné na spracovanie regulátorom, resp. na prenos signálu z jedného miesta na druhé. Prístroje, ktoré menia a prenášajú signál na diaľku, sa volajú vysielače. Z hľadiska použitej pomocnej veličiny sa najčastejšie používajú elektrické a pneumatické vysielače. Pri prenose informácií treba často meniť fyzikálnu podstatu signálu. Elektrický signál treba zmeniť na pneumatický a naopak hydraulický signál treba zmeniť na pneumatický a pod. Ďalej sa vyžaduje meniť tiež charakter signálu. Ak prijímateľom signálu je riadiaci počítač, potom signál treba upraviť do formy, ktorú je počítač schopný akceptovať. Najčastejšie sa jedná o prúdový signál 4 0 ma alebo napäťový signál 0 0 V.

17 5 Technické zariadenia riadiacich systémov p 3 4 potrubie Obr. 7.5.: Regulačný ventil s pneumatickým pohonom 7.5 Servopohony a regulačné orgány regulačné ventily Výstupné signály z regulátorov(z ústredných členov) obyčajne nemajú dostatočný výkon pre servomotory, ktoré slúžia ako pohony akčných členov, preto sa medzi regulátory a pohony akčných členov zaraďujú výkonové zosilňovače. Výstupné signály z výkonových zosilňovačov sú vstupmi do servomotorov, ktoré podľa druhu pomocnej energie bývajú elektrické, pneumatické alebo hydraulické. Regulačný orgán je zariadenie, ktoré realizuje výstupnú veličinu z regulátora, bezprostredne mení vstupnú veličinu procesu. Regulačný orgán obyčajne realizuje zmenu prietoku kvapaliny alebo plynu. Na realizáciu zmeny prietoku kvapalín a plynov sa v nízkotlakových a vysokotlakových potrubiach používajú regulačné ventily. Na realizáciu zmeny prietoku plynov v nízkotlakových potrubiach sa používajú aj regulačné klapky. Regulačný ventil spolu s pneumatickým pohonom je znázornený na obr Prietok v potrubí samenívzávislostiodtlaku p.tlak ppôsobínapneumatickýpohon namembránu3,sktorou je pevne spojená tyč 4, na konci ktorej je kuželík regulačného ventilu. Zmenou polohy kuželíka vsedleventilusameníprietočnáplochaatýmajprietokvpotrubí. Pri návrhu automatického riadenia teploty, tlaku, prietoku, koncentrácie atď. musíme brať do úvahy tak statické ako aj dynamické charakteristiky regulačných orgánov. Statické charakteristiky ventilov sú určené geometrickým tvarom kuželíka regulačného ventilu, ale závisia aj od tlakovej straty na ventile. Dynamické vlastnosti akčných členov závisia v podstatnej miere od pohonov akčných členov.