Дәріс. Өлшеу процестері және өлшеуіш құралдар
Кіріспе
Энергетика – шаруашылықтың энергетикалық қорды және әртүрлі энергияны өндіру, түрлендіру, жеткізу пайдалану мәселелерін қамтитын саласы. Энергетиканың негізін энергетикалық жүйелер құрайды,ол - өзара және энергия тұтынушылармен электр энергиясын жеткізу желісі арқылы жалғасқан электр станцияларының жиынтығы (тобы). Оның құрамына: жылу электр станциясы, атом электр станциясы, су электр станциясы, электр энергиясын жеткізу желісі; қосалқы электр станциялар, жылу және электр желісі, жылу және электр энергиясын қабылдағыштар енеді. Энергетикалық жүйе әдетте бір орталықтан басқарылады. Бір жалпы оперативтік диспетчерлік пункттен басқарылатын бірнеше энергетикалық жүйе біріккен энергетикалық жүйені құрайды.
Энергетиканың тағы бір негізіне энергетикалық машина жасау саласы жатады. Бұл сала төменгі айтылатын қондырғыларды және энергия жабдықтарын жасайды: бу, су, және газ турбиналы, іштен жану двигательдері, газ турбиналы айдағыштар, бу генераторлары, бу қазандары, атом электростанциялық реакторлар, гидронасостар,турбокомпрессорлар, турбожелдеткіштер т.б. түрлері.
Энергия жабдықтарының айрықша тобына отынның жану және қазанға қорек беру процестерін, бу магистральдарындағы қысымды және қатты қызған бу температурасын, турбоагрегаттың айналыс санын, т.б. реттеп отыратын автоматтық аспаптар жатады.
Үлкен қалаларда жылу электр орталықтары салынады. Олар тұтынушыларды электр энергиясымен әрі жылумен қамтамасыз етеді. Қазіргі кезде жылу электр орталықтарында қуаты 50 – 100 Мвт бу турбогенераторлары қолданылады. Турбиналардан өндіріс орындарына жіберілетін будың қысымы 8 – 10 атм. ал тұрмыста пайданалатын будың қысымы 0,5 – 2,5 атм. шамасында реттеліп беріледі. Жылыту мақсатында пайдаланатын ыстық судың температурасы 55 – 150 °С шамасында болады.
Жылу электр орталығы көмір, газ, жанар май т.б. отындар жаға алады. Егер жылу электр орталығы тек қана жылу беруге арналса, мұнда будың қысымы 130 атм., температурасы 565°С дейін көтеріледі.
дәріс. Өлшеу процестері және өлшеуіш құралдар
Дәрістің мазмұны:
1 Энергетиканың маңызы және энергетикалық есептеудің мәселелері.
2 Ақпараттық өлшеуіш техника деген не? Оның қамтитын бағыттары.
3 Өлшеу процестері: өлшейтін электрлік шама, өлшеу әдістері, қателігі және өлшеу нәтижесі.
4 Өлшеуіш құралдар, аспаптар және түрленгіш датчиктер.
Дәрістің мақсаты:ақпараттық өлшеуіш техникасының қамтитын бағыттарын игеру және меңгеру.
Энергетика шаруашылығы көп өндірістік кәсіпорындарының негізгі жүйесі болып саналады. Себебі, энергетиканың арқасында энергетикалық күрделі процестер және өндірістік технологиялық түрлендірулер жасалады. Энергетиканың басты және негізгі міндеті - кәсіпорындарды, түрлі шаруашылықтарды және мекемелерді, жеке тұрғындарды, оқу және ғылыми институттарын электр энергиясымен қамтамасыздандыру болып саналады. Сондықтан да энергетикалық есептеудің келесі мәселелерге мәні зор:
– энергоресурстарды шығындау мен өзіндік нарқын анықтау;
– кәсіпорын ішінде шаруашылық есеп жүргізу;
– шығындалған энергия үшін сыртқы мекемелермен есеп айырысу;
– энергетикалық бақылау мен энергетикалық баланс құру.
Энергоресурстарды есептеуге және санауға қажетті ақпараттарды алу үшін түрлі–түрлі әдістер мен тәсілдер, түрленгіштер мен құрылғылар қолданылады.Соның ішінде басты тәсіл болып электр параметрлерінің шамасын өлшеу болып саналады. Тек қана соларды өлшеу нәтижесінде энергоресурстарды есептеу, не бақылау және басқару үшін керекті ақпараттарды аламыз.
Өлшеу – физикалық құбылыстар мен процестердің шамалары туралы сандық ақпарат алудағы негізгі тәсіл. Жаңа машина және апаратты жасағанда, не қиын технологиялық өндірістік процестерді жүргізгенде көп физикалық шаманы өлшеуге тура келеді. Бұған көбісіне бейэлектрлік шамалар жатады, олар механикалық, жылулық, химиялық, оптикалық және акустикалық болып бөлінеді. Кәзіргі кезде бейэлектрлік шамаларды түрлендіру және өлшеу үшін электрлік әдістер мен тәсілдер, аспаптар мен құралдар көп қолданады. Себебі, олардың қолдануда келесі ерекшеліктері және оңтайлықтары бар:
1 Олардың сезімталдығын (чуствительность), не өлшеу ауқымын (диапазон) оңай өзгертуге болады.
2 Жиілік ауқымы кең болғандықтан олардың инерциясы аз болады.
3 Алыстан өлшеу, бірден көп не әртүрлі шамаларды өлшеу, топтастыру не орталықтан оңай басқару.
«Ақпарат» деп, мағынасы адамға түсінікті және қабылдайтын құрылғы оқи алатын бағыттағы нақты хабарды айтады. Автоматтандыру техникасында бұл шамалардың нақты мәні туралы әрі жеке процестердің сипаттамалары туралы хабар болады. Ақпарат жүйе ішінде дереу өңделу немесе есте сақтау құрылғысына алдын ала ендірілу қажеттілігіне қарай әртүрлі тасығыштар мен ақпаратты бейнелеу құралдары пайданылады. Ақпаратты беру және өңдеу үшін электр сигналдары қолданылады. Әртүрлі басқару құрылғылары мен есептеу техникасында ақпаратты сигналды түрлендіру арқылы өңдейді.
Ақпараттық өлшеу жүйелерінің (система) құрамына келесі блоктар мен құрылғылар жатады:
– ақпаратты алу мақсатында түрлендіргіш (датчиктер);
– күшейту, түрлендіру (преобразование) мен кодтау үшін күшейткіштер мен түрленгіштер, өлшеу құрылғылары мен құралдары;
– бағдарламалық немесе алгоритмдік математикалық және логикалық (қисындық) құрылғылар;
– автоматтық басқару, өзіндік бақылау, диагностика, коммутация құрылғылары.
Сонымен, ақпараттық өлшеу жүйелеріне (АӨЖ) тұтынушыға керекті ақпаратын қамтамасыз етіп отыратын, функционалды түрде ақпараттық арнаға біріктірілген, метрологиялық параметрлері алдын–ала анықталған өлшеу құралдары мен қосымша техникалық құралдар жатады. Демек, энергообъектілердің жұмыстық параметрлері әр уақытта бақыланып және керекті шамада сақталынып отыру керек. Сонымен, бақылау және энергообъектілерді басқару процестерін орындау тек қана ақпараттық өлшеу жүйелерінің негізгі міндеті болып саналады.
Өлшеуіш ақпарат – өлшейтін объект және өлшеу процесстері туралы өлшеу арқылы алынған дербес хабар. Алғашқы ақпараттың негізінде өлшеу процесі орын алады.
Өлшеу – зерттейтін параметрдің мөлшерін табудағы метрологиялық оператордың жұмысы. Бұл параметрлерді физикалық шама (ФШ) деп атайды.
Өлшейтін шама бір – біріне сәйкес келетін әдістер мен өлшеуіш құралдардың арқасында өлшем бірлігімен (ӨБ) салыстырылады. Өлшем бірлігі халықаралық келісіммен әр физикалық шамаға тұрақты өлшемде белгіленген және оның сандық мәні бірге тең. Физикалық шаманы өлшегенде соған сәйкес өлшем бірлігімен салыстырамыз. Өлшенген ФШ ның өлшем бірлігіндегі үлесін, не одан қанша есе аз не көп екенін білу үшін милли, микро, кило, мега және т.б. деген қосымша жұрнақ қолданылады.
Өлшеу процесінің ғылыми негізі болып метрология саналады. Метрология – өлшеу туралы ғылым, оның техникасы және өлшеуіш құралдарды қолдану, онан кейін, өлшемдердің біргелкілігін ұйымдастырып, заңды жүзде сақтау.
ҚР «Өлшемдердің біркелкілігі туралы» заңы өлшеу процестердің сапалылығын көздейді: оның тұрақтылығын және әр өлшеу нәтижесі бір біріне сәйкес келуін сақтайды. Сонымен, өлшеу процестердің басқы әдістері және тәсілдері. метрологиялық жұмыстың іргесін қалайды. Әдетте, метрологиялық жұмыс халықаралық түрде стандартталған. Ол үшін мынандай ұйымдар бар:
МКТИ – техникалық өлшеуден халықаралық конференция; МОЗМ – заңды метрологиядан халықаралық ұйым. Осы ұйымдардың кепілдемелерінің қоятын басты мақсаты: өлшеу нәтижелері өлшем бірлігімен белгілену керек және өлшеу қателіктерінің мәні де көрсетілуі керек.
Ақпараттық өлшеу техникасы метрологияның тәжірибелік және қолданбалы түріне жатады. Ақпараттық өлшеу техникасының (АӨТ) басты міндеті болып өлшеуді жүргізу және оны бағалау, өлшеудің тәсілдері мен құралдарын практикалық қолдану болып саналады. АӨТ екі топқа бөлінеді: бірінші, жұмыстық (өндірістік) өлшеу техникасы, екінші, үлгілі (нақты, лабораториялық) өлшеу техникасы. Сөйтіп, ақпараттық өлшеу техникасы өлшеу процесіне қатысты барлық теориялық және тәжірибелік мәселелерді тегіс қамтиды.
Өлшеу процессі оператормен (бақылаушымен) келесі функциялық сұлбамен жүгізіледі.
1.1 Сурет – Өлшеу процессінің функциялық сұлбасы
Көрсетілген әрекеттердің (операциялардың) неге керек екенін және неге жататынын көрсетейік.
Өлшейтін объект – электростанция, қосалқы станция, таралу құралғылары, генераторлар (өндіргіш), қозғалтқыштар (двигательдер).
Өлшенетін физикалық шама – электр тоғы, кернеу, қуат, электр энергиясының шығыны, жиілік.
Өлшеудің әдісі – белгілі кепілдеме жүзінде, қолдану тәжірибесіне және оператордың тәжірибесіне сәйкес алынады.
Өлшеу құралы – қолданылатын әдіске байланысты, құралдың табылуына және өлшеу жағдайына сәйкес алынады.
Өлшеу қателігі – теориялық және тәжірибелік есептеу әдістеріне байланысты.
Өлшеу нәтижесі – халықаралық стандарттармен салыстырылады. ФШ өлшеу кең ауқымда (диапазон) өзгереді. Мысалы, энергетика объектілеріне кездесетін электр кедергісі Омның мыңнан бір бөлігінен тераОмға дейін өзгеруі мүмкін. Ең көп тараған өлшеу әдісі – тікелей өлшеу әдісі болып табылады. Келесі суретте өлшеу әдістері көрсетілген.
1.2 Сурет – Өлшеу әдістері сұлбасы
Тікелей өлшеу әдісін қолданғанда физикалық шама бірден өлшеуіш құралдың көрсеткішінен өлшенеді. Салыстырмалы әдісте: физикалық шаманың мәні белгілі өлшеммен салыстырылады. Көпке белгілі салыстырмалы әдіс – нолдік әдіс.
Өлшеу құралдары мына түрлерге бөлінеді:
1 Өлшемдік құралдар – бұл физикалық шаманы бірден табатын құралдар.
2 Өлшеу құралдар, аспаптар – олар аналогтік, цифрлық, өзі жазатын, интегралдық болады. Бұлар өлшеу нәтижесін бірден береді, оны, оператор бірден байқайды.
3 Өлшеуіш түрлендіргіштер – масштабтық, бір ФШ екіншіге айландырады. Бұл құралдар ФШ-лардың шығыс параметрін кіріс параметрлеріне пропорционал жасайды.
4 Өлшеуіш қондырғылар – алдын-ала белгіленген өлшеу әдістерімен өлшеу құралдарының жинағы.
Басқарылатын не өлшейтін объекті мен өлшеуіш жүйелердің шығыстық құрылғылары арасында әрқашан физикалық шама – электр сигналы тектес өлшеуіш түрлендіргіштер болады. Осындай түрленгіштерді түрлендіргіш датчиктер деп атайды.
Электрондық есептеу машинасын пайдаланатын автоматтық жүйелерде ақпаратты беру және өңдеу негізінен «1» және «0» электр сигналдарының комбинациясының дискретті жыйынтығы түрінде өтеді. Бұл жағдайда алдымен физикалық шама электр кернеуіне, содан кейінгі кезеңде сигналдардың дискретті жыйынтығына түрленеді. Сонымен, түрлендіргіш датчиктер физикалық шаманы бір мәнді байланысқан электр (не басқа) сигналына түрлендіреді.Олардың мынандай түрлері болады: механикалық (күштік, сығу-созу); электрлік; магниттік; электромагниттік (сәулелену); гравитациялық; жылулық.
Барлық түрлендіргіш датчиктер қызмет принципы бойынша параметрлік не генераторлық деп екі топқа бөлуге болады. Бірінші топқа өлшенетін шаманың мәні электр тізбегінің параметрлеріне, яғни кедергіге, индуктивтікке, сыйымдылыққа түрленетін түрлендіргіш датчиктер жатады. Бұл жағдайда қосымша қоректендіру көзі қажет. Генераторлық түрлендіргіш датчиктерде әртүрлі энергия тікелей электр энергиясына түрленеді.
Түрлендіргіш датчиктердің статикалық сипаттамасы деп, өлшенетін (х) шамамен түрлендіргіш датчиктің шығысындағы сигналдың (у) арасындағы у=f(x) функционалдық тәуелділікті айтады. F(x) функциясын түрлендіру функциясы деп те атайды. Шығыстық у шамасының аз өсімшесінің кірістік х шамасының аз өсімшесіне қатынасын түрлендіргіш датчиктің сезімталдығы деп атайды: S=Δу/Δх. Түрлендіргіш датчиктің сезгіштік деңгейі деп, оның шығысында сигналдың өзгерісі (Δу) пайда болуына сәйкес келетін түрлендіргіш датчиктің, кірісіндегі шаманың (Δх) аздаған өзгерісін айтады. Сигналдың деңгейлік өзгерісі деп (Δу), шығыстық сигналдың керекті аспаптар арқылы тіркеуге жарайтын ең кіші мәнін айтады. Түрлендіргіш датчиктің деңгейлік сезімталдығы сигналды өңдейтін электр түрленгіштердің не тіркеуіш аппараттардың техникалық сипаттамаларына сәйкес болуы керек.