Návod k laboratorní práci: MĚŘENÍ A REGULACE TLAKU, KALIBRACE TLAKOMĚRŮ Cíl laboratorní práce: V laboratorní úloze se studenti seznámí s funkcí provozního inteligentního snímače tlaku, s analogovým a číslicovým přenosem signálu a dále pak s dvoupolohovou regulací tlaku v zásobníku. Z naměřených dat přenesených do počítače vyhodnotí průběh dvoupolohové regulace tlaku. S pomocí přenosného kalibračního zařízení provedou kalibraci deformačního tlakoměru a vyhodnotí průběh naměřené statické charakteristiky. 1 ÚVOD Měření tlaku je hned za teplotou druhé nejčastější a nejdůležitější provozní měření při řízení procesů. Mezi nejznámější přístroje pro měření tlaku patří kapalinové a deformační tlakoměry, které však běžně neposkytují elektrický výstupní signál potřebný pro automatické řízení procesu. Pro tyto účely musí být snímač tlaku vybaven převodníkem signálu, který poskytuje elektrický výstupní signál, úměrný měřenému tlaku. Takovým typickým provozním signálem je unifikovaný proudový signál s rozpětím 4 až 20 ma. Jestliže je v převodníku pro zpracování signálu použit mikroprocesor, dosáhne se nejen zvýšení přesnosti, ale zvýší se i universálnost a flexibilita využití převodníku. Takové převodníky se označují jako inteligentní převodníky (Intelligent or smart transmitter) a představují moderní technické prvky provozní automatizace. Inteligentní převodníky jsou vybaveny rozhraním pro přenos dat, dálkové řízení a nastavování převodníku. Vedle moderních inteligentních převodníků tlaku se v provozní praxi využívají v řadě případů klasické ukazovací deformační tlakoměry. U provozních přístrojů a zejména u deformačních tlakoměrů musí být periodicky prováděna kalibrace. V současné době jsou pro tento účel používány přenosné kalibrátory, které umožňují kalibraci přímo v provoze. 2 PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ 2.1 Inteligentní snímač tlaku V laboratorní stanici je použit provozní inteligentní snímač tlaku Rosemount 3051 S (obr. 1) s měřicím rozsahem 0 až 100 kpa, s deklarovanou přesností ±0,065 % z rozsahu. Snímač vykazuje vysokou přesnost a stabilitu i při obtížných a proměnných provozních podmínkách. Snímač Rosemount 3051S je vybaven senzorem tlaku, který pracuje na kapacitním principu. Princip kapacitních snímačů tlaku, jejich konstrukce, vlastnosti a použití je popsán v učebním textu Příprava na laboratorní úlohu B6 [1], kapitola 3.3; inteligentním převodníkům je věnována kapitola 4. Obr. 1 Provozní inteligentní snímač tlaku Rosemount 3051 Snímač Rosemount 3051S je vybaven LCD-displejem pro zobrazení aktuální hodnoty měřeného tlaku ve zvolené jednotce. Převodník poskytuje na výstupu analogový proudový signál 4-20 ma a je vybaven digitální komunikací podle protokolu HART. Příslušný HART modem je možno připojit k počítači prostřednictvím sběrnice RS-232 nebo přes rozhraní USB. Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 1
2.2 Deformační tlakoměry Vedle moderních tlakoměrů s elektrickým výstupem je laboratorní stanice vybavena ještě dvěma snímači, které využívají k měření tlaku klasické deformační elementy; jsou to: Ukazovací deformační tlakoměr s Bourdonovou trubicí s měřicím rozsahem 0 až 160 kpa. K převodu výchylky ukazovatele na elektrický signál je použit odporový vysílač. Manostat s vlnovcem pro dvoupolohovou regulaci tlaku. Takové manostaty bývají vybaveny jedním nebo více elektrickými kontakty a využívají se k jednoduché dvoupolohové regulaci tlaku v zásobnících. V laboratorní stanici je použit manostat ZPA EKOREG typ 61214, u něhož lze nastavit žádanou hodnotou tlaku v rozsahu 16 až 160 kpa a necitlivost (hysterezi) 6 až 63 kpa. Popis funkčního principu ukazovacích deformačních tlakoměrů i manostatů najde čtenář v učebním textu Příprava na laboratorní úlohu B6 [1], kapitola 2 a 3.2. 2.3 Kalibrační zařízení V laboratorní práci se provádí kalibrace srovnávací metodou a používá se přitom přenosný kalibrátor, který se skládá z ruční pumpy a přesného etalonového digitálního tlakoměru. Referenční digitální tlakoměr JOFRA IPI 015G (TECTRA) (obr. 2) má tyto charakteristické vlastnosti: měřicí rozsah 0 až 1 bar, rozlišení 5 digit, přesnost 0,05 % z rozsahu, teplotní kompenzace v rozmezí 0 až 50 C, záznam minimální a maximální měřené hodnoty, komunikace po sběrnici RS 232. Obr. 2 Referenční digitální tlakoměr JOFRA IPI (TECTRA) Referenční tlakoměr je vybaven velmi přesným a citlivým senzorem s polovodičovými tenzometry. Pružným elementem pro snímání tlaku je kře- Obr. 3 Ruční pumpa AMETEK T-730 (TECTRA) Obr. 4 Etalonový tlakoměr AMETEC- JOFRA (TECTRA) Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 2
míková membrána, na jejímž povrchu jsou difúzní technologií vytvořeny polovodičové tenzometry, zapojené do měřicího můstku. Tento senzor transformuje tlak na elektrický signál. Mezi hlavní přednosti křemíkové membrány jako deformačního prvku patří platnost Hookova zákona v širokém rozsahu deformací a zanedbatelná hystereze. Princip snímačů tlaku s odporovými tenzometry je podrobně popsán v textu Příprava na laboratorní úlohu B6 [1], kapitola 3.4. Pro generování tlaku slouží ruční pumpa AMETEK T-730 (obr. 3). Na pumpě, která pracuje se vzduchem, jsou dvě přípojky tlaku, jedna pro tlakoměr etalonový a druhá pro zkoušený převodník tlaku. Rozsah tlaku je 0 až 100 kpa. Kompletní sestava kalibračního zařízení, které se skládá z ruční pumpy a referenčního tlakoměru je znázorněna na obr. 4. O kalibraci provozních tlakoměrů je pojednáno v učebním textu Příprava na laboratorní úlohu B6 [1], kapitola 5. 3 POPIS LABORATORNÍ STANICE Jednotlivé přístroje a další součásti laboratorní stanice jsou upevněny na konstrukčním stavebnicovém rámu. Uspořádání je zřejmé z fotografie na obr. 5, blokové schéma je znázorněno na obr. 6. Na konstrukčním rámu jsou proti sobě umístěny dvě nezávislé laboratorní stanice. Obr. 5 Laboratorní stanice Inteligentní snímač tlaku Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 3
Ústředním prvkem laboratorního zařízení je inteligentní snímač tlaku Rosemount 3051 S, který může být manuálně připojen prostřednictvím trojcestného kohoutu buď ke kalibračnímu systému anebo k tlakovému zásobníku. Kalibrační zařízení se skládá z ruční pumpy Ametek T-370 a referenčního digitálního tlakoměru Jofra IPI 015G a připojuje se k aparatuře prostřednictvím rychlospojky. Paralelně k převodníku Rosemount 351 S je připojen klasický ukazovací deformační manometr s Bourdonovou trubicí s rozsahem 0 až 160 kpa, vybavený odporovým vysílačem. Vlnovcový manostat s nastavitelnou hysterezí Ruční jehlový ventil (1) Tlakový zásobník Ruční jehlový ventil (2) Deformační tlakoměr s odporovým vysílačem Přepínací trojcestný kohout H Rychlospojka Referenční indikátor tlaku Ruční pumpa Solenoidový ventil Inteligentní snímač tlaku Tlakový vzduch max. 140 kpa Výstup vzduchu Obr. 6 Blokové schéma laboratorní stanice Tlakový zásobník s napouštěcím a vypouštěcím ventilem představuje model regulované soustavy. Tlak uvnitř zásobníku je regulován dvoupolohovým regulátorem ZPA EKOREG typ 61214. K regulaci se využívá manostat s vlnovcem, který umožňuje nastavit žádanou hodnotou tlaku v rozsahu 16 až 160 kpa a necitlivost (hysterezi) 6 až 63 kpa. Akčním členem je dvoupolohový solenoidový ventil napájený stejnosměrným napětím 24 V. K propojení snímačů tlaku, ventilů a tlakového zásobníku bylo použita trubka z korozivzdorné oceli o průměru 6 mm a propojovací prvky Swagelok. Schéma elektrického propojení jednotlivých prvků laboratorní stanice je na obr. 7. Počítač komunikuje s inteligentním převodníkem tlaku Rosemount 3051S prostřednictvím HART modemu a případně může komunikovat i s referenčním kalibračním tlakoměrem Jofra IPI 015G prostřednictvím rozhraní RS 232. Panelový ukazovací digitální voltmetr Orbit-Meret OM 351 PM slouží k zobrazení údaje deformačního tlakoměru s odporovým vysílačem. Dva separátní napájecí zdroje poskytují stejnosměrné napájecí napětí 24 V jednak pro proudovou smyčku inteligentního převodníku Rosemount 3051S a jednak pro ovládání solenoidového ventilu, který je řízen vlnovcovým manostatem a pro napájení obvodu odporového vysílače. Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 4
Mini PC TC-850 Referenční tlakoměr JOFRA IPI HART modem R 3 = 330 Vlnovcový manostat Snímač tlaku ROSEMOUNT 3051S ma Solenoidový ventil Výstupní napětí VDC Síťové napětí 230 VAC Napájecí zdroj pro snímač Rosemount 3051S Digitální panelový přístroj ORBIT-MERRET Unifikovaný napěťový signál 0 - (5) V Napájecí zdroj pro odporový vysílač a solenoidový ventil Výstupní napětí 24 VDC R 2 R 1 Deformační tlakoměr Obr. 7 Schéma elektrického propojení laboratorní stanice Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 5
4 ÚKOLY LABORATORNÍ PRÁCE 1. Seznámení se zapojením laboratorní stanice a jednotlivými snímači tlaku, zejména s funkcí inteligentního provozního snímače tlaku, s analogovou a digitální komunikací prostřednictvím protokolu HART. 2. Seřízení a konfigurace převodníku Rosemount 3051S. 3. Naměření přechodových charakteristik tlakového zásobníku při jeho napouštění a vypouštění. Záznam naměřených dat počítačem a vyhodnocení naměřených charakteristik. 4. Seřízení manostatu pro dvoupolohovou regulaci tlaku, monitorování tlaku při dvoupolohové regulaci tlaku v zásobníku; záznam naměřených dat počítačem a vyhodnocení průběhu regulačního pochodu. 5. Kalibrace deformačního tlakoměru v rozsahu 0 až 100 kpa, případně i kalibrace provozního převodníku pomocí přenosného kalibračního zařízení. Vyhodnocení naměřených statických charakteristik a stanovení necitlivosti (hystereze) kalibrovaného tlakoměru. 5 POKYNY K PROVEDENÍ PRÁCE 1. Porovnejte schéma zapojení stanice na obr. 6 a 7 se skutečným provedením, identifikujte jednotlivé přístroje a jejich propojení. Seznamte se s funkcí inteligentního provozního snímače tlaku Rosemount 3051S, s analogovou a digitální komunikací prostřednictvím protokolu HART. Parametry převodníku je možné konfigurovat jednoduchým programem HART Windows Configurator (obr. 8). Program komunikuje přes rozhraní RS-232 s HARTmodemem napojeným na proudovou smyčku 4 až 20 ma, ve které může být zařazeno až 15 převodníků s HART komunikací. Program nabízí dvě záložky, kde se na první Informace zobrazí údaje o připojeném přístroji a z druhé Základní konfigurace je možné měnit parametry jako rozsah, fyzikální Obr. 8 HART Windows Configurator Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 6
jednotky, přenosovou funkci, apod. Přístroj se po zapnutí napájecího zdroje připojí stiskem tlačítka Čti! v pravém dolním rohu okna. Tlačítko Stop! umístěné vedle něj ukončuje komunikaci. Po změně nastavení v příslušných polích se příkaz provede stiskem Zapiš do přístroje!. S možnostmi menu na horní liště se seznamte sami spuštěním Nápovědy. V pravé části se zobrazují okamžité hodnoty výstupu, které je možné průběžně ukládat v programu HART Logger. Pro vyčítání dat je nutné po nastavení parametrů převodníku ukončit komunikaci stiskem tlačítka Stop! a spustit program HART Logger. Nastavení vyčítání a ukládání dat je možné provést z horní lišty v záložce Nastavení Nastavení monitoru. Při automatickém záznamu dat je nejmenší možná hodnota intervalu odečítání dat 4 s. V poli adresa zkontrolujte, zda je pole nastaveno na 0. Pokud jste adresu přístroje změnili, budete se muset vrátit do nastavení programu HART WinConfig. Cestu pro uložený soubor neměňte stejně jako další parametry. Měření spustíte stiskem tlačítka Start. Pro grafické zobrazení dat stiskněte jednotlivá tlačítka v hlavním okně. Naměřená data se ukládají do souboru monitor.txt, z něhož lze snadno importovat data do programu MS-Excel, kde je zpracujete graficky. 2. Převodník Rosemount 3051S seřiďte podle zadání asistenta. Např. pro vstupní tlakový signál 0 až 160 kpa odpovídající výstupní signál 4 až 20 ma. 3. Pro naměření přechodové charakteristiky je zapotřebí realizovat skokovou změnu tlaku v tlakovém zásobníku a zaznamenat časový průběh tlaku. Přepínací trojcestný kohout (obr. 9) nastavte tak, abyste připojili větev s přívodem tlakového vzduchu k měřicím prvkům (cesta propojení je naznačena na tělese kohoutu). Nastavením škrticích jehlových ventilů (ručně nastavitelné ventily 1 a 2 na obr. 7) se ovlivňuje dynamické chování tlakového zásobníku, a tím i průběh přechodové charakteristiky. Polohu těchto ventilů nastaví asistent. (Při eventuálním samostatném nastavení postupujte následovně: Oba škrticí jehlové ventily 1 a 2 (obr. 6) nejdříve úplně uzavřete otočením ve směru hodinových ručiček tak, aby značka směřovala na pomyslnou dvanáctou hodinu. Ventily uzavírejte s citem!! Následně otevřete Obr. 9 Trojcestný kohout otočením proti směru hodinových ručiček napouštěcí ventil 1 přibližně o 90 a vypouštěcí ventil 2 o 10. ) Žádanou hodnotu regulace na vlnovcovém manostatu nastavte šroubem nad hlavní stupnicí (obr. 9) na hodnotu větší než je hodnota napájecího tlaku (140 kpa). Tím zajistíte, že regulační obvod dvoupolohové regulace nebude v činnosti. Spusťte přenos dat z inteligentního snímače tlaku do počítače. Zkontrolujte tlak nastavený na regulační stanici (max. 140 kpa) a realizujte skokovou změnu tlaku otevřením přívodního kohoutu, kterým připojíte napájecí tlakový vzduch. Po dosažení ustáleného stavu uzavřete přívod napájecího tlaku a dále zaznamenávejte průběh tlaku při vypouštění zásobníku. Záznam dat ukončete po dosažení ustáleného stavu. Z naměřených charakteristik vyhodnoťte časovou konstantu při napouštění a vypouštění zásobníku. Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 7
4. Podle zadání asistenta nastavte parametry vlnovcového manostatu seřizovacími šrouby, které jsou umístěny na vrchní straně krytu manostatu (obr. 10). Např. požadovaná hodnota tlaku 80 kpa, necitlivost asi 20 kpa (přibližné nastavení). Požadovaná hodnota regulace se nastavuje pravým šroubem, necitlivost levým šroubem. Nastavené hodnoty jsou indikovány na stupnicích na čelní straně manostatu. Škrtící ventily 1 a 2 nechte nastavené stejně jako u předcházejícího měření. Spusťte přenos dat z inteligentního snímače tlaku do počítače a otevřete přívodní kohout tlakového vzduchu. Průběh regulačního pochodu sledujte jednak na Obr. 10 Nastavovací prvky manostatu ukazovacím deformačním tlakoměru a jednak na záznamu dat přenášených z inteligentního převodníku do počítače. Mezní údaje deformačního tlakoměru zaznamenejte. Po ustálení kmitů, změňte žádanou hodnotu tlaku na vlnovcovém manostatu podle zadání asistenta (např. na 70 kpa). Po novém ustálení kmitů změňte necitlivost podle zadání asistenta (např. zmenšete asi na 10 kpa ). Po ukončení experimentu uzavřete kohout hlavního přívodu vzduchu. Vyhodnoťte průběh regulačního pochodu, porovnejte průběh naměřených křivek s průběhem statických charakteristik při napouštění a vypouštění zásobníku, vyhodnoťte necitlivost (hysterezi). O průběhu regulačního pochodu při dvouolohové regulaci je pojednáno v učebním textu Příprava na laboratorní úlohu B6 [1], str. 18. 5. Prostřednictvím rychlospojky připojte k aparatuře etalonový tlakoměr s ruční pumpou. Přepínací trojcestný kohout přestavte do polohy, která zajistí propojení ukazovacího deformačního tlakoměru s etalonovým tlakoměrem. Stanovte 5 zkušebních bodů rovnoměrně rozložených v rozmezí 0 až 100 kpa. Abyste mohli vyhodnotit ze statické charakteristiky hodnotu necitlivosti (hystereze), je nutno při kontrole kalibrace kontrolovaný přístroj postupně zatěžovat tlakem rostoucím až na maximální hodnotu a následně tlak postupně zmenšovat na hodnotu odpovídající nulové značce. Opakovaným stisknutím rukojeti ruční pumpy postupně zvyšujte tlak na píst a sledujte údaj deformačního tlakoměru. Ukazovatel deformačního tlakoměru se musí blížit k hodnotě, kterou budete odečítat od spodu. Konečné doladění tlaku proveďte otáčením rukojeti, která ovládá šroub měnící zdvih pístu. Ukazovatel nesmí přejít přes hodnotu zkušebního bodu. Stane-li se tak, zvyšujte postupně tlak, stanovte si nový zkušební bod na nejbližší odečitatelné hodnotě ukazovatele. Po doladění na hodnotě zkušebního bodu odečtěte údaj etalonového tlakoměru a pokračujte v kontrole kalibrace až k maximální hodnotě. Při snižování tlaku postupujte analogicky místo stisku ruční pumpy uvolňujte tlak vypouštěcím ventilem na tělese pumpy a ke konečnému doladění tlaku použijte opět otáčení rukojeti ale v opačném směru. Naměřené hodnoty zaznamenejte do tabulky a kalibraci vyhodnoťte. Podle zadání asistenta proveďte případně i kalibraci provozního inteligentního snímače Rosemount 3051S. Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 8
6 ODKAZY [1] Kadlec K.: Příprava na laboratorní úlohu B6 - Inteligentní snímač tlaku. Učební text na http://www.vscht.cz/ufmt/kadleck.html [2] Snímač Rosemount 3051S http://www.emersonprocess.cz [3] Kalibrační zařízení tlakoměrů http://www.tectra.cz [4] Deformační tlakoměry, manostaty http://www.apoelmos.cz Kadlec K., Havlík J., LO-Tlak_návod do labor_v2.doc 9