Определение времени реакции датчиков давления без демонтажа
Nbsp; Наладка и эксплуатация систем управления Лабораторная работа № 3 Определение времени реакции датчиков давления Определение времени реакции датчиков давления лабораторными способами Для определения времени реакции датчиков давления используются три метода, отличающиеся друг от друга типом испытательного сигнала давления, прикладываемого на вход датчика: 1. испытание линейным сигналом; 2. испытание ступенчатым сигналом; 3. испытание периодическим сигналом.
Испытание линейным сигналом
В этом методе как на испытуемый датчик, так и на эталонный быстродействующий датчик подается линейно изменяющийся сигнал давления (рисунок 1). Время реакции испытываемого датчика измеряется как устанавливающееся асимптотически значение запаздывания между сигналами на выходе обоих датчиков. Этот метод называют методом линейного сигнала, а получаемые результаты — временной задержкой линейного сигнала, временем реакции датчика или асимптотической временной задержкой линейного сигнала.
Рис.1. Принцип метода линейного сигнала
Оборудование, используемое для этого испытания, называют гидравлическим генератором линейного сигнала.
На рисунке 2 представлены упрощенная схема такого оборудования и фотография полностью собранной системы для испытания датчиков давления.
Рис. 2. Упрощенная схема оборудования для испытания датчиков давления линейным сигналом
|
|
|
Система включает в себя гидравлический генератор линейного сигнала давления и связанное с ним оборудование для обработки сигнала, сбора данных и их анализа.
Испытание ступенчатым сигналом
Этот метод аналогичен методу линейного сигнала за исключением того, что в нем используется ступенчатый сигнал давления вместо линейного. Для этого метода может применяться то же оборудование, что и для метода линейного сигнала, или более простое оборудование, состоящее из источника давления и быстродействующего клапана, управляемого соленоидом. Время реакции определяется как время, которое требуется, чтобы сигнал на выходе датчика достиг 63,2% от своего установившегося значения в стационарном режиме после ступенчатого изменения сигнала на входе.
Испытание периодическим сигналом
В этом методе используется генератор периодического сигнала давления, позволяющий получать сигнал в форме синусоиды. Этот сигнал подается на эталонный и на испытуемый датчики. Сигналы на выходе обоих датчиков используются для построения логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ). По этой диаграмме можно оценить время реакции датчика (рисунок 3).
|
|
|
Рис. 3. Принцип метода испытания периодическим сигналом
В методе испытания периодическим сигналом используют два типа оборудования, в зависимости от рабочего диапазона испытуемого датчика. В оборудовании для испытания при низком давлении используется движение поршня в цилиндре, присоединенном к трубе с потоком жидкости, чтобы получать меняющийся во времени волновой сигнал, аналогичный синусоиде.
Оборудование снабжено трансмиссией, позволяющей менять частоту
колебаний сигнала. В приборе, используемом для испытаний при высоком давлении (рисунок 5), применяется преобразователь тока в давление, позволяющий получать меняющийся во времени сигнал, который усиливается усилителем давления.
При помощи этих методов можно получать время реакции датчиков с приемлемой точностью.
С теоретической точки зрения, для датчиков с передаточной функцией первого порядка и с линейной характеристикой все три метода должны давать одинаковые результаты измерения времени реакции.
Рис. 5. Структурная схема лабораторного стенда для испытания периодическим сигналом высокого давления
Однако у датчиков давления имеется некоторая нелинейность характеристик. Это приводит к тому, что различные методы дают различные результаты измерения времени реакции.
|
|
|
Определение времени реакции датчиков давления без демонтажа
Времена реакции датчиков давления обычно не зависят от условий технологической среды и условий их установки, поэтому методы, которые были описаны ранее для определения времени реакции, подходят для измерения времени реакции датчиков давления.
Тем не менее для проверки времени реакции датчиков давления при тех условиях, которые определяются местом их установки в технологическое оборудование, были разработаны методы испытания датчиков без их демонтажа. Эти методы были разработаны для упрощения тестирования, чтобы проверка времени реакции датчиков могла быть выполнена на расстоянии, без необходимости физического доступа к ним.
Для проверки времени реакции датчиков давления без их демонтажа применяют два метода: метод анализа шумов и испытание перерывом энергоснабжения (ПЭ). Испытание ПЭ можно использовать только для проверки времени реакции датчиков давления, основанных на принципе равновесия сил. Метод анализа шумов может применяться для проверки времени реакции большинства видов промышленных датчиков давления без их демонтажа.
|
|
|
Метод анализа шумов
Этот метод основан на мониторинге естественных флуктуаций, которые обычно присутствуют на выходе датчиков давления во время работы технологического оборудования. Этот подход проиллюстрирован на
рисунке 6, где выходной сигнал датчика давления представлен как функция времени во время нормальной работы установки.
Рис. 6. Шум процесса на нормальном сигнале от датчика
Очевидно, что когда процесс протекает нормально, сигнал на выходе датчика представляет собой постоянную величину, соответствующую давлению рабочей среды, показываемому датчиком. Эту постоянную величину часто называют величиной постоянного тока, как это представлено на рисунке 6.
На этом рисунке часть сигнала датчика также представлена при большом увеличении, чтобы показать, что на выходе датчика естественным образом присутствуют небольшие флуктуации.
Этот флуктуационный сигнал, который называют шумом или компонентой переменного тока, вызывается, по крайней мере, двумя видами явлений.
Во-первых, давление процесса обладает свойственными ему флуктуациями, вызываемыми турбуленцией, случайными явлениями передачи тепла, вибрацией и другими эффектами. Во-вторых, в сигнале почти всегда присутствуют электрические и другие помехи. К счастью, эти два вида явлений происходят при сильно различающихся частотах и их можно разделить при помощи фильтров. Два компонента шума должны быть разделены, потому что при проведении анализа шумов мы заинтересованы только в тех флуктуациях, источником которых является технологический процесс.
На рисунке 7 показано извлечение из первичного сигнала датчика, включающего как постоянную, так и переменную составляющие, шумовой составляющей.
Рис. 7. Последовательность выделения шумов
Как показано на рис. 7, первым шагом в этом процессе является удаление постоянной составляющей. Этого достигают путем добавления отрицательного смещения или использования электронного фильтра верхних частот. Следующим шагом является усиление сигнала и пропускание его через фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот удаляет внешний шум и устраняет нежелательные спектральные составляющие, прежде чем направить сигнал через аналого-цифровой преобразователь на компьютер сбора данных. Компьютер производит выборку данных с надлежащей скоростью их отбора и сохраняет их для последующего анализа. На
рисунке 8 показаны необработанные данные шумов, полученные от датчика давления на работающей электростанции.
Рис. 8. Запись необработанных шумов от датчика давления в реальном процессе
Эти данные представляют собой естественные флуктуации процесса и включают информацию, необходимую для определения времени реакции датчика, от которого данные были получены. Эти данные являются небольшой частью регистрируемых шумов, из которых производится выборка информации для каждого испытываемого датчика давления. Полная запись данных о шумах длится примерно от 30 мин до 60 мин.
Для получения времени реакции датчика данные о шумах анализируют. Для этого применяют анализ в частотной области. При частотном анализе вычисляют спектр данных, используя такую методику, как быстрое преобразование Фурье.
На рисунке 9 приводится спектр шумового сигнала от датчика давления на работающей электростанции. Заметим, что спектр выражен в единицах спектральной плотности мощности (СПМ). СПМ — это дисперсия сигнала в небольшом диапазоне частот в зависимости от частоты, графически выражаемая как функция частоты. Для простых систем первого порядка СПМ. является достаточным параметром для определения времени реакции датчика.
Рис. 9. Спектр шума в сигнале датчика давления
Это время определяется путем измерения частоты излома (Fb) СПМ, как показано на рисунке 10. Датчики давления, однако, не обязательно являются датчиками первого порядка, и графики СПМ реальных сигналов недостаточно гладкие для того, чтобы можно было измерить частоту излома так просто, как это показано на рисунке 10.
Рисунок 10. СПМ системы первого порядка
На самом деле графики СПМ часто содержат резонансы и другие эффекты процесса, которые усложняют процедуру определения времени реакции при помощи метода анализа шумов. Например, нужно иметь проверенную динамическую модель датчика, чтобы применить ее вместе с графиком СПМ для получения времени реакции датчика. Такая аналитическая модель, которая обычно является уравнением в частотной области, подгоняется под график СПМ, что позволяет получить параметры модели. Затем эти параметры используются в модели для вычисления времени реакции датчика давления.
На рисунке 11 показана СПМ и модель, подогнанная под СПМ. Эти данные получены от датчика расхода на работающей электростанции.
Рис. 11. СПМ датчика давления и подгонка модели под СПМ
Модель для анализа датчика давления в частотной области может быть представлена как передаточная функция (G),связывающая входной и выходной сигналы датчика.
(1)
δО – выходной сигнал, который меняется в ответ на меняющийся во времени входной сигнал (δI).
Если давление процесса соответствует стационарному режиму и его флуктуации случайны, то в этом случае говорят о сигнале типа белого шума, СПМ которого является постоянной величиной, то есть:
(2)
Выражение (2) показывает, что СПМ флуктуаций на выходе датчика пропорциональна значению передаточной функции датчика, из чего может быть получено время реакции датчика. Поэтому, если у нас имеется СПМ шума на выходе датчика, мы можем определить его передаточную функцию и затем время реакции. Это справедливо, если наше допущение, что шум на входе (флуктуации процесса) является белым шумом, правильно, означая, что спектр шума имеет плоскую форму.
Процедура для частотного анализа данных шума проиллюстрирована на рисунке 12. Этот анализ включает в себя проведение быстрого преобразования Фурье по отношению к выходному сигналу датчика, чтобы получить СПМ. Затем методом подгонки находится функция (то есть аналитическая модель датчика), подходящая для описания СПМ, параметры этой функции определяются и используются для вычисления времени реакции датчика.
Рис. 12. Процедура анализа в частотной области
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 672; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!