Веднъж някой попитал свой колега каква е професията му. Той без колебание отговорил: „Аз съм инженер по измервателна техника и управление.“

„А това какво е?“ — попита събеседникът му.

„...О. Ъм...“ „Е, сега съм загазил“, помисли си инженерът.

 

Какво представляват измервателната техника и управлението?

Сравнително лесно е да се обясни с какво се занимава един механичен, електрически, химически или електроинженер, но е съвсем друга история да се опише накратко работата на инженер, специализиран в измервателната техника и управлението.

Измервателната техника и управлението са интердисциплинарни области. Те изискват познания по химия, механика, електричество и магнетизъм, електроника, микроконтролери и микропроцесори, софтуерни езици, управление на процеси и други области, като принципите на пневматиката и хидравликата и комуникациите.

Именно това прави измервателната техника и управлението толкова интересни и поучителни.

В тази статия ще представя цялостен преглед на основните принципи на измервателната техника и управлението (I & C), използвани за функционирането и експлоатацията на промишлени предприятия, например в нефтената и газовата промишленост, целулозно-хартиената промишленост, захарната промишленост, фармацевтиката, хранително-вкусовата промишленост и химическата промишленост.

Първо, трябва да разгледаме как се измерва. За тази цел ни е необходим измервателен уред.

 

Какво представлява измервателният уред?

Измервателният уред е устройство, способно да открива промени — физически или други — в даден процес. След това той преобразува тези физически промени във форма на информация, разбираема за потребителя.

Нека разгледаме примера от Фигура 1.

 

Фигура 1. Пример за измервателен уред.

 

Когато превключвателят е затворен, резисторът генерира топлина, което повишава температурата на течността в резервоара. Това повишение се открива от измервателния уред и се показва на скалата на уреда.

Можем да получим информация за физическите промени в процеса чрез директна индикация или чрез регистратор.

 

Индикация

Това е най-простата форма на измерване; тя ни позволява да узнаем текущото състояние на променливата.

 

Фигура 2. Наблюдение на променлива чрез прост визуален индикатор.

 

Регистратор

Устройство, което може да съхранява данни, ни позволява да наблюдаваме текущото състояние на променливата и поведението ѝ в миналото. Регистраторът ни предоставя историята на променливата.

 

Фигура 3. Дисплей, показващ как са се променяли измерените стойности с течение на времето.

 

Компоненти на измервателен уред

Измервателните уреди се състоят основно от следните части:

• Сензор: Този елемент е устройство, чиито физични свойства се променят в резултат на промените в процеса, който измерва.
• Усилвател/кондиционер: Промените, открити от сензора, може да са много малки, затова трябва да бъдат усилени и след това кондиционирани, така че да могат да бъдат показани правилно.
• Дисплей: Измерените данни трябва да бъдат представени по разбираем начин. Това може да се направи с помощта на градуиран измервателен уред или електронен дисплей. Понякога дисплеят допълнително служи като записващо устройство, за да показва историята или тенденциите на измерването.

 

Фигура 4. Елементи на измервателен уред.

 

Обикновено измервателната информация, генерирана от измервателния уред, трябва да бъде изпратена до контролен център (или контролна зала), който се намира физически далеч от уреда. По принцип тази информация трябва да отговаря на установени спецификации.

 

Фигура 5. Измервателната информация се изпраща от измервателния уред до контролната зала.

 

Когато даден измервателен уред има възможност да изпраща информация, го наричаме предавател (често съкращаван като XMTR).

 

Класификация на измервателните уреди

Съществуват различни класификации на измервателните уреди. Например можем да ги класифицираме като полеви уреди или панелни уреди. Полевият уред се монтира в близост до технологичния процес или измервателната точка. Той трябва да бъде физически устойчив, ако ще бъде изложен на тежки условия на околната среда. Панелните уреди се намират в помещение с контролирана среда (често чисто помещение с климатизация и контролирана влажност).

Друга класификация е пневматични измервателни уреди спрямо електрически/електронни измервателни уреди.

 

Пневматични измервателни уреди

Както подсказва името, това са устройства, задвижвани от въздух.

Едно от предимствата на тези измервателни уреди е, че не консумират електроенергия, така че могат да се използват в зони, където използването на електрическо захранване би било опасно или неудобно. Те работят с една променлива, представляват неточни измервателни уреди, влияят се от вибрации и температурни промени и изискват значителна поддръжка. Изходният сигнал на предавателите е между 3 и 15 psi, а максималното разстояние на предаване е приблизително 200 метра.

 

Фигура 6. Основна схема на пневматичен измервателен уред.

 

Електрически/електронни измервателни уреди

Електронните измервателни уреди могат да бъдат разделени на три основни категории: аналогови, интелигентни аналогови и цифрови.

 

Аналогови устройства:

• Изходен сигнал: 4–20 mA
• Разстояние на предаване: 1200 m (обичайно)
• Предават се данни за една променлива
• Добра точност
• Лесна поддръжка

 

Фигура 7. Основна схема на електронен уред (XMTR).

 

"Интелигентни" аналогови устройства:

• Характеризиране на сензора като измерващ температура, статично налягане и др.
• Отлична точност
• Самодиагностика (т.е. сензорът може да анализира проблеми в собствената си функционалност)
• Една променлива

 

Цифрови устройства:

• Няколко уреда могат да използват един кабел
• Предаване на множество стойности за всеки уред (технологични променливи, калибриране, диагностика, диапазон)
• Разстояние: приблизително 1900 m без повторител
• Капацитетът за данни се влияе от начина на предаване (кабел, оптично влакно, безжична връзка)

 

Фигура 8. Цифрови трансмитери.

 

Общи спецификации на сензорите

Диапазон: Областта между границите, в която се измерва дадена променлива. Той показва минималните и максималните стойности, които ограничават областта. Диапазонът се изразява с две числа, напр. 10 до 20 °C, 10 до 150 V, 0 до 100%

Обхват: Изчислява се като максималната стойност на диапазона минус минималната стойност на диапазона. Обхватът се изразява с едно число в технологични единици, напр. 120 °C, 30 V, 150 литра в секунда.

Повдигане: Ако долната граница на диапазона е положителна стойност, тази долна граница е повдигането. Пример: Ако диапазонът е от 50 °C до 200 °C, можем да кажем, че повдигането е 50 °C или 33,3% от обхвата.

Потискане (наричано още супресия): Ако долната граница на диапазона е отрицателна, абсолютната стойност на тази долна граница е потискането. Пример: Ако диапазонът е от -10 °C до 80 °C, можем да кажем, че потискането е 10 °C или 11,1% от обхвата.

Наддиапазон: Когато дадено устройство е калибрирано да работи в определен диапазон, но може да бъде подложено на стойности над или под този диапазон, то изисква защитен механизъм, който да предотврати повреда на уреда или превишаване на горната или долната граница от индикатора. Когато измерените стойности са над максималната стойност, имаме положителен наддиапазон. Когато измерените стойности са под минималната стойност, имаме отрицателен наддиапазон.

 

Фигура 9. Примери за обхват, диапазон, повдигане и потискане.

 

Грешка: Разликата между измерената стойност и действителната (или очакваната, или желаната) стойност на физическа променлива. Грешката може да бъде положителна или отрицателна. Когато измерената стойност е по-голяма от действителната, грешката е положителна. Когато измерената стойност е по-малка от действителната, грешката е отрицателна.

                        Ако измерената стойност > действителната, грешката > 0

                        Ако измерената стойност < действителната, грешката < 0

Грешката може да бъде изразена

• в инженерни единици (напр. °C, psi)
• като процент от диапазона (напр. +/- 3% от диапазона)
• като процент от измерването (напр. +/- 5% от измерването)

Референтна стойност: В общ смисъл това се отнася до действителната, очакваната или желаната стойност на дадена променлива. В контекста на система за управление с обратна връзка измерената стойност се подава обратно и се изважда от референтната стойност, за да се генерира сигналът за грешка.

Точност: Число, което определя границите на грешката. Когато казваме, че даден инструмент има точност от 0,1% от диапазона, това означава, че в която и да е точка от обхвата показанията не се различават от действителната стойност с повече от 0,1% от диапазона.

 

Пример за измерване на процес

За по-добро разбиране на представените по-горе концепции разгледайте следния пример.

Разполагаме с резервоар за масло, в който трябва непрекъснато да измерваме температурата. Работните условия за този процес са следните:

• Минимална температура: -10 °C
• Максимална температура: 90 °C
• Точността на измерването трябва да бъде 1% от диапазона или по-добра
• Измерената температура трябва да се показва локално и дистанционно

 

Фигура 10. Нашата примерна система.

 

Първо, трябва да изберем измервателен инструмент, който ни позволява да измерваме температурата на течността в резервоара. Тъй като информацията трябва да е достъпна локално и дистанционно, ще изберем температурен трансмитер.

Този трансмитер трябва да има следните характеристики:

• Обхват: от -10 °C до 90 °C
• Диапазон: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Потискане на нулата: 10 °C или 10% от диапазона
• Точност: 1% от диапазона = 1% × 100 °C = 1 °C
  • Тази точност от 1% гарантира, че при всяко измерване или отчитане на температурата отклонението или грешките няма да надвишават +/- 1 °C

Като допълнителна бележка, трябва да осигурим правилна зависимост между обхвата и стандартизирания изходен сигнал на трансмитера. За да калибрираме инструмента, трябва да свържем минималната стойност на обхвата (-10 °C) с минималната стойност на изходния сигнал (4 mA), а максималната стойност на обхвата (90 °C) — с максималната стойност на изходния сигнал (20 mA).

 

Заключение

В тази статия разгледахме измервателните устройства и основните концепции за измерване в контекста на измервателните и управляващите системи. Разгледахме също прост пример за система, включваща нагревателен елемент и инструмент, който може да събира и предава данни за температурата. В следващата статия ще разгледаме четирите основни променливи, използвани в промишлените приложения: дебит, ниво, температура и налягане. Ще обсъдим също различни сензори, като диафрагми, термодвойки и RTD сензори, и ще прегледаме инструментите и трансмитерите, използвани за измерване на тези четири физични променливи.