CC BY
259некоторые вопросы практического применения приборов
для измерения и регулирования давления и температуры
Александр Цыпин, к. т. н.
Статья посвящена вопросам правильного монтажа, настройки и эксплуатации контрольно-измерительных приборов. Как правило, проблемы возникают при обслуживании систем теплоснабжения. В качестве примеров использовано оборудование производства датской фирмы Danfoss A/S (www.danfoss.ru).
Введение
Работоспособность любой системы в целом определяется не столько качеством отдельных компонентов, сколько их правильным сопряжением, установкой, настройкой и эксплуатацией. Во время общения со специалистами проектных и монтажных организаций они подчас задают вопросы, указывающие на их недостаточную подготовку в этой области. А это может привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования.
В статье обобщен опыт технических консультаций клиентов фирмы «Данфосс» по применению и эксплуатации приборов для контроля, измерения и регулирования давления и температуры: датчиков реле давления и температуры, преобразователей давления и датчиков температуры. Этот опыт может быть распространен на продукцию любых производителей.
Датчики реле давления и температуры
Принцип действия
Датчик реле (или просто реле) — это простейшее механическое устройство, предназначенное для систем регулирования и сигнализации. Задача такого устройства — переключить контакты при достижении заданного значения параметра, а при изменении параметра в другую сторону контакты должны переключаться обратно (рис. 1).
Основным элементом механических реле давления является сильфон или мембрана, которые воспринимают давление среды. С другой стороны на чувствительный элемент реле воздействует пружина, усилие которой, как правило, может быть изменено с помощью органов настройки реле.
Переключение контактной системы осуществляется посредством механической, обычно рычажной, системы при достижении значения давления ниже или выше уставки.
В датчиках реле температуры могут использоваться различные физические явления, которые связаны с изменением механических параметров под действием температуры. Наиболее распространены дилатометрические (изменение длины) и волюметрические (изменение объема).
Мы будем рассматривать манометрические датчики реле температуры, которые относятся к волюметрическому типу. Их принцип действия основан на том, что в термобаллоне и капиллярной трубке находится некое вещество (наполнитель), давление которого изменяется с изменением температуры. Таким образом, его принцип действия такой же, как и у реле давления.
В качестве дополнительной функции некоторые датчики реле могут обеспечивать блокировку контактной системы, которая применяется в том случае, если после срабатывания блокировки или сигнализации персонал должен выяснить причину срабатывания, устранить ее и только после этого снова запустить технологический процесс. Качество работы датчика реле определяется преимущественно характеристиками пружин основной настройки и дифференциала.
Очень часто трудности вызывает вопрос о том, в каком случае происходит переключение: при понижении или повышении параметра? Если не предусмотрена блокировка контактной системы, то это не имеет принципиального значения: важно то, как осуществляется электрическое подключение — к нормально замкнутому или разомкнутому контакту.
Другая проблема — это неправильная трактовка терминов. Так, нередко диапазон настройки, в котором выбирается параметр срабатывания, воспринимают как диапазон рабочих значений, в которых допускается эксплуатация прибора. На самом деле рабочие значения могут существенно превышать диапазон уставок. Реле давления характеризуются еще и максимальным испытательным давлением — это давление, которое датчик реле может кратковременно выдерживать ограниченное количество раз в течение всего срока службы и возникающее, как правило, при опрессовке системы. Понятие давление разрыва означает, при каком давлении датчик реле потеряет герметичность, что приведет к возникновению аварийной ситуации в системе.
Дифференциал (гистерезис)
Чтобы избежать слишком частых переключений, вводится зона нечувствительности, называемая дифференциалом или гистерезисом. Однако если этот параметр будет слишком большим, то значительно снизится точность регулирования. Для датчиков реле температуры имеет место понятие как механического дифференциала, устанавливаемого непосредственно на шкале, так и теплового — это дифференциал, с которым реально работает система. Тепловой дифференциал всегда больше механического. Время срабатывания зависит от теплового уровня в системе, от теплопроводности среды и скорости движения потока (оптимальная скорость жидкости — около 0,3 м/с). В результате окончательная настройка параметров осуществляется после ввода системы в эксплуатацию. При выборе типа датчика реле важно учитывать возможность настройки дифференциала и наличие шкалы его настройки.
Точность
Для этих приборов важна не столько точность (они не являются средствами измерения), сколько повторяемость: переключение контактов должно происходить всегда в одной и той же точке. Параметр надежности также имеет здесь два значения: для механической и для электрической части. Первый указывает, какое количество циклов нагружения/разгружения может отработать устройство, а второй — количество переключений контактной системы (как правило, эта цифра заметно ниже).
Выбор
В настоящее время на рынке представлено немало приборов, которые производят как отечественные, так и зарубежные компании. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и сделать выбор зачастую непросто. Немаловажное значение имеет вопрос удобства работы с прибором. Так, многие производители пошли по пути мини-
Рис. 2. Кнопка ручного сброса реле Danfoss BCP
мизации габаритных размеров. В результате на крупных объектах иногда бывает трудно найти требуемое устройство, а читаемость шкалы настройки снижается до недопустимо низкого уровня. Также у многих приборов при настройке необходимо применять специальный инструмент, который не всегда под рукой. Важный момент — устройство кнопки ручного сброса у реле с блокировкой (рис. 2): она должна иметь защиту от случайного нажатия и при этом быть легко доступной.
Немало вопросов возникает и при выборе диапазона настроек датчика реле. Многие стараются применять те же правила, что и для выбора манометров: значение уставки должно находиться в последней трети шкалы. Однако в данном случае это неверно. Все ведущие производители калибруют свои приборы на работу во всем диапазоне настроек.
Электрическое присоединение и нагрузка на контактную систему
Одна из наиболее позитивных тенденций в совершенствовании датчиков реле — это применение для электрического подключения стандартного штекера DIN 43650 (рис. 3). В этом случае нет необходимости разбирать реле для присоединения кабелей, что значительно упрощает монтаж и демонтаж
устройства, а также минимизирует риск повреждения внутренних частей реле некорректными действиями.
Нередко при выборе реле возникает вопрос об электрических характеристиках контактной системы: допустимая нагрузка на контакты, материал контактов и другие. Ответы на эти вопросы дают условия задачи, которую вы собрались решать с помощью этого устройства. Если необходимо управлять работой электродвигателя или электромагнитного клапана, то желательно иметь контактную группу, способную выдерживать значительные токи. Так, например, серия датчиков реле Danfoss КР/КРІ снабжена контактами из серебряного сплава, способными коммутировать индуктивную нагрузку до 16 А, 400 В. Подобное реле может напрямую пускать электродвигатель мощностью до 2 кВт. Если реле предназначено для работы с электронными контроллерами, где имеются малые токи, то в случае использования мощной контактной группы с большим сопротивлением контактов сигнал потеряет информативность, и система окажется неработоспособной. В такой ситуации следует выбирать реле с позолоченными контактами и ориентироваться на характеристику минимальной нагрузки. Так, у реле Danfoss ВСР с серебряными контактами минимальные параметры — 100 мА при напряжении 24 В постоянного тока, а с позолоченными — 4 мА при напряжении 5 В постоянного тока.
Установка датчика реле давления
При монтаже реле давления нередко применяют трехходовой кран для подключения контрольного манометра и продувки, руководствуясь правилами установки манометров. Однако это не совсем верно в силу того, что при установке приборов систем автоматической защиты и блокировки недопустимо применять решения, которые могут нарушить работоспособность системы вследствие несанкционированного досту-
Рис. 3. Электрическое подключение реле Danfoss BCP с помощью штекера DIN 43650
па. Именно к таким решениям и относится обычный трехходовой кран, который можно легко перекрыть. Допустимо применение только тех кранов, которые имеют блокировку положения.
Также недопустим монтаж устройства без применения инструмента с приложением усилия к корпусу прибора.
Необходимо предпринимать меры по демпфированию сильных пульсаций. Как правило, достаточно применения демпфирующей трубки.
Водонаполненная петля, известная также как трубка Перкинса (рис. 4), позволяет защитить реле (регулятор) давления от повреждения в том случае, если температура рабочей среды может превышать предельно допустимые значения, указанные в паспорте.
При применении реле для систем автоматики и безопасности паровых котлов также необходима водонаполненная петля.
Для корректной работы реле (регулятора) давления требуется применение импульсных линий, отвечающих следующим параметрам:
• Если импульсная линия обеспечивает подвод среды только к одному прибору и ее длина при этом менее 1 м, то диаметр импульсной линии должен быть не менее 8 мм.
• Если импульсная линия обеспечивает подвод среды только к одному прибору и ее длина при этом более 1 м, то диаметр импульсной линии должен быть не менее 10 мм.
• Если импульсная линия обеспечивает подвод среды к нескольким приборам, то диаметр импульсной линии должен быть не менее 20 мм на всем протяжении линии.
Установка датчика реле температуры При монтаже датчиков реле температуры необходимо учитывать тип наполнителя термобаллона и капиллярной трубки, в со-
Давление
Насыщенный пар
Температура
Рис. 5. Диаграмма зависимости давления от температуры
а) парообразного заполнителя;
б) адсорбционного заполнителя;
в) жидкого заполнителя
ответствии с которым необходимо выбирать место установки корпуса прибора и его ориентацию в пространстве.
Датчик с парообразным заполнителем
Метод определения температуры основан на связи температуры и давления насыщенного пара. Датчик заполняется небольшим количеством жидкости, которая переходит в состояние насыщенного пара.
Если датчик расположить в более прохладном месте, чем реле (регулятор), то температура окружающего воздуха не будет оказывать никого влияния на точность регулирования.
Датчик с адсорбционным заполнителем
Датчик реле (регулятора) заполнен перегретым газом вместе с твердым веществом, обладающим адсорбирующим свойством. Преимущество такого датчика заключается в том, что его можно устанавливать как в прохладных, так и в более теплых местах, независимо от того, где расположено само реле (регулятор).
Однако заполнитель чувствителен к изменению температуры в сильфоне и капиллярной трубке. Поэтому если реле (регулятор) работа-
ет при температуре окружающего воздуха, отличающейся от заводской регулировки (20 °С), то необходимо внести поправку на отклонение температуры окружающего воздуха.
Датчик с жидким заполнителем
Метод определения температуры основан на связи давления и температуры насыщенных паров заполнителя. Большая часть датчика заполнена жидкостью и лишь малая часть его — парами. Если датчик расположить в более теплом месте помещения, чем реле (регулятор), то температура окружающего воздуха не будет оказывать никакого влияния на точность регулирования.
Преобразователи давления
Назначение и основные типы выходных сигналов
Эти приборы предназначены для преобразования давления среды в сигнал, который можно легко измерить. Обычно этот сигнал имеет электрическую природу, а наиболее распространен сигнал 4-20 мА. Его основные преимущества — высокая помехозащищенность и информативность. Часто встречаются выходные сигналы по напряжению 0-5, 1-5, 1-6, 0-10 и 1-10 В. Выбор типа выходного сигнала осуществляется обычно по вторичному прибору (контроллеру), на который будет подаваться сигнал.
Помехозащищенность и влияние сопротивления кабеля
Наименее восприимчив к помехам токовый выходной сигнал 4-20 мА. Для повышения помехозащищенности можно применять экранированный кабель с заземлением. Способ монтажа экранированного кабеля зависит от поставленной задачи: как правило, экран кабеля достаточно заземлить только со стороны входа в контроллер (регулятор). Однако в некоторых случаях заземление обоих концов позволяет получить более высокую степень защиты от помех. Также рекомендуется отдельно располагать силовые и сигнальные кабели.
Очень часто вызывает сложность вопрос влияния сопротивления кабеля на точность измерений. Как правило, это влияние очень мало, поскольку сопротивление соединительных проводов намного ниже сопротивления самого преобразователя и сопротивления линии. Наглядно это характеризует зависимость удельного сопротивления медных кабелей от сечения. Ее значения представлены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость удельного сопротивления кабелей от их сечения
Сечение кабеля, мм2 Удельное сопротивление, Ом/м
0,25 0,09
0,5 0,04
0,75 0,025
Рис. 6. Установка преобразователя давления Danfoss MBS 3000 с помощью изолирующего клапана
Погрешность и поверка
Метрологические характеристики средств измерений и вопросы поверки регламентируются Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений». В соответствии с ним госповерка необходима только в тех случаях, когда приборы используются в системах коммерческого учета либо при повышенных требованиях к безопасности. Во всех остальных случаях она носит добровольный характер. Важно учесть, что поверка возможна только при наличии сертификата типа средства измерения.
Наибольшие сложности в этом процессе вызывает то, что зарубежные производители используют иные метрологические характеристики, которые не соответствуют принятым у нас классам точности. Предел основной допускаемой погрешности, указываемой западными производителями в документации, часто не учитывает параметры нелинейности и гистерезиса, которые приводятся отдельно, тогда как в российское понятие приведенной погрешности уже входят эти характеристики. Эта несогласованность вызывает многочисленные проблемы при выборе и поверке приборов.
Установка
Преобразователи давления картриджно-го типа характеризуются компактными размерами и малым весом, что позволяет монтировать их непосредственно на трубе или импульсной линии. Правила монтажа таких приборов схожи с правилами, применяемыми для манометров, то есть необходимо устанавливать трехходовой кран для подключения контрольного манометра и продувки.
Более современное решение — установка преобразователей с помощью клапанных блоков или изолирующих клапанов (рис. 6, 7). Эти устройства отличаются удобством использования, компактностью и высокой надежностью.
При измерении давления вязких, агрессивных или кристаллизирующихся сред требу-
Рис. 9. Демпферная трубка
Таблица 2. Зависимость снижения температуры среды от длины импульсной линии
Температура среды, °С Длина импульсной линии, см Температура на преобразователе, °С
100 2 75
5 65
10 60
120 2 85
5 75
10 70
Рис. 7. Установка преобразователя давления Danfoss MBS 5100 с помощью клапанного блока
ется применение преобразователей давления с промывной диафрагмой (рис. 8) или мембранных разделителей.
Влияние температуры
Очень часто при установке преобразователей давления в системах отопления вызывает сомнение диапазон рабочих температур, который, как правило, не превышает 125 °С. При этом диапазон термокомпенсации, в котором обеспечивается заявленная точность прибора, ограничен 100 °С. Во многих инженерных системах нередко встречаются более высокие температуры. Чтобы охладить среду, необходимо применять либо трубку Перкинса, либо демпферную трубку (рис. 9).
Рис. 8. Преобразователь давления Danfoss MBS 4510 с промывной диафрагмой
Как показали испытания, демпферная трубка длиной 1 м позволяет снизить температуру пароводяной смеси на 400 °С. Нужно также учитывать, что снижению температуры способствует импульсная линия. Зависимость этого снижения от длины импульса представлена в таблице 2.
Гидроудары
Гидроудары — одно из самых опасных явлений для преобразователей давления, которое может повредить чувствительный элемент и вывести его из строя. Для смягчения гидроударов и пиков давления возможно применение демпферной трубки либо преобразователей со встроенным демпфером (рис. 10), который представляет собой сопло диаметром 0,3 мм, вставленное между контролируемой средой и чувствительным элементом преобразователя.
Заключение
Приведенные примеры касаются только части оборудования, которое относится к направлению «Промышленная автоматика» компании Danfoss, а рассмотренные вопросы — лишь малая часть из тех, которые вызывают трудности у проектировщиков и монтажников. ■
