Työ 5: Kaasuvirtausprosessi

Transkriptio

1 ELEC-C3 Automaato- ja sstmtknkan laboratorotöt ö 5: Kaasuvrtausprosss öohj Pkka Autr, pävttänt Axl Kohonn

2 Johdanto ässä tössä tutktaan massavrtauksn säätöä kaasuvrtausprosssssa. Vrtauksn säätö on totutttu kahdlla rlaslla vnttlllä, jodn tomntaa tössä vrtallaan. ötä vartn raknntussa kaasuvrtausprosssssa on vrtaavana kaasuna lma. Prosssn nstrumntont koostuu pannsäätmstä, kolmsta vnttlstä skä vrtaus-, pan- skä lämpötla-antursta. onn kahdsta vrtaltavasta vnttlstä on massavrtauksn säätöön tarkotttu valms vnttljärjstlmä, joll vodaan antaa ohjauksna haluttu massavrtaus. onn vnttl on dgtaalnn vnttl, jonka tomntaa massavrtaussäätmnä vrrataan okaan massavrtaussäätmn. Dgtaalsta vnttlä ohjataan säätmllä, jonka totuttamnn LabVIEW:llä on annttu sthtäväks. Pannsäädntä kättään ssääntulopann muuttamsn ja kolmatta säätövnttlä vrtausvastuksn muuttamsn kahdn tutkttavan vnttln jälkn. Dgtaalslla vnttlllä tarkottaan vnttlä, joka koostuu ussta pnstä läppävnttlstä, jota vodaan avata ja sulka rksn. Kättt dgtaalnn vnttl koostuu kahdksasta rkokossta vnttlstä, jodn avulla vodaan vrtausta ohjata portattan. htä asttta suurmman vnttln aukko on ana kaks krtaa dllsn kokonn, jollon vnttln kombnaatolla vodaan muodostaa asklttan muuttuva vrtaus välllä -55. Prosssssa ssääntulolman pan vodaan säätää välll -6 baara pannsäätmn avulla. Ssääntulopann avulla vodaan vakuttaa vnttln läp tapahtuvaan massavrtauksn. Vastaavast mös ulostulopansn vodaan vakuttaa vrtausvastuksna tomvan kolmannn säätövnttln avulla. Vnttln läp tapahtuva massavrtaus rppuu skä vnttln asnnosta ttä ssään- ja ulostulopansta. Vnttln vrtausmkankkaa kuvataan tarkmmn möhmpänä tässä töohjssa. Prosssn mttaukst ja ohjaukst on hdsttt ohjausasmana tomvaan ttokonsn dgtaalsa ja analogsa ssäänmnoja ja ulostuloja ssältävän mttauskortn avulla. Prosssn ohjauksn kättään prossstollsuudssa kätttä Labvw-ohjlmstoa. Prosssn tarkmp kuvaus näk alla olvassa PI-kaavossa, johon on numrotu prosssn kuuluvat komponntt.

3 Prosssn kuvaus Alla olvassa kaavokuvassa näk prossskaavo. Prosssn komponntt on numrotu - ja r komponnttn tarkmp kuvaus löt kaavon alapuollta. Kuva. Prossskaavo. PC = pann säätö (prssur control), PI = pann mttaus (prssur ndcator), FC = vrtauksn säätö (Flow control), FI = vrtauksn mttaus (flow ndcator), ja I = lämpötlan mttaus (tmpratur ndcator).. Panlman söttö Laboratoron panlmavrkko, maksmpan n. 7 bar.. Käskättönn pannsäädn Käskättöstä säädntä vodaan tössä kättää järjstlmän tstaamsn. [ASCO Joucomatc 7] alu - bar 3. Jänntohjattava pannsäädn Jänntohjattavalla pannsäätmllä vodaan ssääntulopantta ohjata ohjausjärjstlmän kautta. [ASCO Joucomatc SntroncD] alu 6 bar jännttulo - V kättöjännt 4 V lnaarsuus ja tostttavuus <.5 % FS hstrs < % FS

4 3 4. Pann välvarasto Päästä suljttu kaks mträ ptkä ltku, joka tasaa nopta pann muutoksa E nä tstjärjstlmän kuvassa (kuva ), sllä pann välvarasto on lsätt jälknpän. 5. ulopann antur Pananturn avulla vodaan mtata totutunut tulopan tarkast. [rafag 8498] alu bar jänntlähtö V tarkkuus +-.3 % FS kättöjännt 4 V 6. Massavrtasäädn Valms kaasun vrtaussäädn, jonka tomntaa vrrataan tössä dgtaalvnttlllä totuttun säätmn tomntaan. [ASCO Joucomatc FlowtroncD] alu 5 l/mn jännttulo V kättöjännt 4 V 7. Pan-roantur Anturlla vodaan mtata pan-roa dgtaalvnttln l. [Snsortchncs BE5] alu - bar jänntlähtö - 6 V vastaka 9 %: ms kohna.4 % kättöjännt 4 V 8. Vnttlrhmä (dgtaalvnttl) + kurstnlv B. Matrx 86 magnttvnttl, rkokost rät Valms magnttvnttlpaktt, joka ssältää 8 rkosta läppävnttlä [Matrx 86]. kättöalu 6 bar jokaslla vnttlllä r vrtausalu kättöjännt 4 V 9. Lämpötla-antur ällä anturlla saadaan tto kaasun lämpötlasta; P antur [Danfoss MB 36] ja vrtavstlähtn [Danfoss MB 9] alu C vrtavstlähtö 4 ma kättöjännt 8-35 V

5 4. Lähtöpann antur ällä pananturlla saadaan tarkka mttaus lähtöpansta [rafag 8498] alu bar jänntlähtö V tarkkuus +-.3 % FS kättöjännt 4 V. Proportonaalvnttl + jänntohjan Erllnn ohjattava vnttl, jonka avulla vodaan tössä säätää lähtöpantta. [Bürkrt 94] jänntohjan V kättöjännt 4 V, vrrankulutus non A, pats jos ohjaus on nolla, jollon vnttl mn lpotlaan vodaan ohttaa käskättösllä vnttlllä, jolla vo säätää manuaalsst lähtöpantta ktktt ohjaussgnaaln tällä htkllä sllä ohjauskortssa on van analogsta ulostuloa. Massavrtausantur opa mutta mlko pätarkka antur, jolla vodaan tarkkalla dnaamsa vrtausmuutoksa [Honwll AWM7]. (Kuva ) alu - l/mn (lma) jänntlähtö - 5 V kättöjännt V

6 5 Kuva. Raknnttu tstjärjstlmä; Komponnttn numront on sama kun ampana ollssa kaavokuvassa ja luttlossa. Mttausjärjstlmä Ohjausjärjstlmänä tom PC ja shn USB-välällä ltttävä I/O-sovtn (Kuva 3). I/Osovttmn ktknnät slvävät almpana olvasta taulukosta. Kuva 3. PC:hn USB-välällä ltttävä I/O-sovtn

7 6 Mttaustn ja ohjaustn ktknnät Mttaus Kanava Huomautuksa Pannsäätmn mttaus A/D P n A/D Pan-ro A/D P out A/D 3 Proportonaalvnttln ulostulo A/D 4 Massavrtaus A/D 5 - A/D 6 Lämpötla A/D 7 Muunnos ma -> V, R = 43 Ω Ohjaus Proportonaalvnttl / Q st D/A (massavrtaussäädn Flowtronc) P st (Pannsäädn SntroncD) D/A Dgtaalvnttl OU - 7 Matrx 86:llä välssä ohjankortt Ktknnät tomlattlta ja anturlta mttauskortll on tht kahdn sokrpalan kautta. Sokrpalojn ktkntäkaavot näkvät alla.

8 7 Vasmmanpuolnn sokrpala umro Lat Sgnaal I/O kanava P_ctrl V_st Aout V_mon An 3 Q_ctrl 4V 4 GD 5 V_st Aout 6 P_n V_out An 7 P_dlta 4V 8 GD 9 V_out An DgV 4V mp GD V_out An 7 Okanpuolnn sokrpala umro Lat Sgnaal I/O kanava P_out V_out An 3 PropoV 4V 3 GD 4 V_st Aout 5 GD 6 V_mon An 4 7 Q_ V-out An 5 8 V 9 GD - 4V GD Kuva 4. Johtojn ktkntään kättt sokrpalat Vrtausmkankan prustta Kaasun ta nstn vrtaus putkssa vo olla joko lamnaarnn ta turbulntt. Lamnaarnn vrtaus tarkottaa, ttä vrtaus tapahtuu tosnsa skottumattomssa krroksssa, jotka lkkuvat r nopudlla. urbulntssa vrtauksssa krrokst skottuvat tosnsa vrtauksn muodostuvn pörtdn taka. Pörtt kuluttavat nrgaa ja ovat lnsä pätovottava. Pörtt johtuvat r krroksn tosnsa ahuttamsta vomsta (krrostn vrtausnopudt ovat rävä). Putkn runassa olvan kaasukrroksn vrtausnopus on nolla ja krrostn vrtausnopus kasvaa pälnaarsst kun krroksn täss putkn runasta kasvaa. Vrtauksn turbulnssa vodaan tutka ns. Rnoldsn luvun avulla. Rnoldsn luku on suoraan vrrannollnn putkn halkasjaan, vrtauksn kskmääräsn noputn skä kaasun thtn skä kääntän vrrannollnn kaasun vskostttn. Suurmmat Rnoldsn luvut ndkovat turbulnssa vrtausta. pllsst vrtaus on lamnaarnn kun Rnoldsn luku on all. Kaasun vrtaus vnttln läp Kaasun vrratssa vnttln läp, sn massavrtaus rppuu kaasun thdstä skä nopudsta. Kaasun nopus taas rppuu vnttln mpärllä olvasta pan-rosta, kaasun lämpötlasta, vnttln pokklkkauksn pnta-alasta ja kaasun lämpötlakrtomsta. Massavrtaus vodaan lmasta: m Av, mssä on kaasun ths A vnttln pokklkkauksn pnta ala v kaasun nopus Kaasun maksmnopus vnttln läp on äänn nopus. Maksmnopus saavuttaan, kun ulostulo- ja ssäänmnopandn välnn suhd on rttävän pn l kun pandn rotus on suur. ämä suhd rppuu kaasun lämpökrtomsta:

9 8 p k out pn k k on lämpökrron, lmall krron on n..4, jotn maksmnopus p p out n.583 k saavuttaan kun pan ro on Kun pandn suhd on l tämän tason, on kaasun nopus pälnaarnn funkto pandn suhtsta: kp v ( k ) p on ulostulopan p p p on ssääntulopan k k on kaasun alkupränn ths Lsäks daalkaasull pät: ZR p M R on kaasuvako M on kaasun moolmassa on lämpötla ( K) Z on kaasusta rppuva korjauskrron än massavrtauksll saadaan htälö m A kzr p M ( k ) p pa km p ZR ( k ) p k k k k Kun pandn suhd on rttävän pn, vrtausnopus on maksmssaan (äänn nopus), jollon s on rppumaton ulostulopansta. ällön massavrta saadaan laskttua: m Av M pa ZR v s Massavrtaus on ss lnaarsst vrrannollnn ssääntulopansn. Ilmall krron Z on hvn lähllä htä normaalolosuhtssa, ja mös jonkn vrran panstttuna. Ilma

10 9 ss kättät lähs daalkaasun lalla, l lman molklt vakuttavat tosnsa ksnomaan laststn törmästn kautta. Ilma lakkaa kättätmästä daalkaasun lalla vasta jos lämpötla on lan matala ta pan lan korka, sllä sllon molkln välst vomat alkaa vakuttaa nmmän kaasun kättätmsn kun molkln knttnn nrga, ja molkln koon skä molkln välsn thjän tlan suhd pnn. Kuvasta 5 kä lm torttnn massavrtaus pandn suhtn funktona, kun ssääntulopan pdtään vakona. Kuva 5. Kaasun massavrtaus ulostulo- ja ssäänmnopandn suhtn funktona. Pannsäätö Vrkosta saatava lma pansttaan prosssn aluks haluttuun pansn Joutomatcn pannsäätmn avulla. Prosssn ssääntulopantta on mahdollsta ohjata mös käskättösn pannsäätmn avulla, jota tässä tössä kättä. Pannsäädntä ohjataan analogsst jännttllä -, joka vastaa pann säätöä välll -6 baara. Kätännössä totutunut ssääntulopan rppuu mös kaasuvrtauksn määrästä, suurmmlla vrtaukslla pannsäädn pst avan saavuttamaan haluttua pantta. ämä on stä huomoda prosssn kättätmstä tutkttassa. Kätännössä on stä pstllä panalulla välllä -5 baara, jollon pannsäädn ps lähs halutussa ssääntulopanssa mös suurmmlla vrtaukslla. Suraavssa kuvssa näk säädtn pann totutumnn rlaslla vrtaukslla. otutunut ssääntulopan on mtattu pannsäätmn jälkn sjatsvalla panmttarlla.

11 Kuva 6. Mtattu ssääntulopan säädtn pann funktona pnllä vrtaukslla Kuva 7. Mtattu ssääntulopan säädtn pann funktona suurlla vrtaukslla. Kuvaajsta nähdään, ttä pnmmllä vrtaukslla pannsäädn totuttaa hvn halutun ssääntulopann, mutta suurmmlla vrtaukslla ssääntulopan nää totudu kovn hvn, kun pan on l 5 bar. Vrtausta on mttauksssa ohjattu dgtaalsn vnttln avulla, jossa suurmmat vnttln arvot (5-55) vastaavat suurmpaa vrtausta. Ssääntulopann säädössä snt mös värähtlä, kun vnttljä ohjataan. ämä lmö ahutuu osttan pann ja vrtauksn rllsstä säätmstä, jotka prkvät kompnsomaan tosaan. Massavrtauksn mttaus Prosssn läp mnvää lman massavrtausta mtataan Honwlln massavrtaussnsorlla. Massavrtaus mtataan ltrona mnuutssa. Snsorn vastaka on nopa, mutta mttaukst vät ol välttämättä kovnkaan tarkkoja. Varsnkn suurmmlla vrtaukslla (l l/mn) mtatut vrtaukst vovat olla hvn pätarkkoja. Massavrtaussnsorn tomntaa tutkttn tarkmman Bronkhorstn snsorn avulla. Bronkhorstn snsorn vastaka on hdas (n.3s), mutta vrtauksn mttaus on huomattavast Honwlln antura tarkmp. Anturta on vrtaltu suraavassa kuvassa rlaslla vrtaukslla.

12 Kuva 8. Mtattuja massavrtoja r anturlla. Snsllä tarkmman Bronkhorstn snsorn lukmat ja punaslla Honwlln snsorn lukmat. Mttaukssta vodaan havata, ttä suurmmlla vrtaukslla Honwlln anturdn mttausarvohn vo luottaa, jotn kätännössä tössä kannattaa tutka vrtauksa, jotka ovat all ltraa mnuutssa. Vrtauksn stmont lnaarsn rgrsson avulla Kun kaasun vrtausnopus vnttln läp saavuttaa äänn nopudn, s nää kasva, jollon vrtausta kutsutaan lsoonsks. Vnttln läp kulkva massavrtaus vo kutnkn tämän jälkn kasvaa kun kaasun ths kasvaa (pan kasvaa). Vnttln läp kulkva kaasun massavrtaus on lsoonsssa tlassa pann lähs lnaarnn funkto, jollon massavrtaa vodaan ohjata suoraan ssääntulopann avulla. össä vnttln läp mnvän vrtauksn ja ssääntulopann suhdtta kutnkaan tunnta, vaan s tul stmoda mtatusta datasta. Koska vrtaus rppuu lsoonsssa tlassa lnaarsst ssääntulopansta ja vnttln aukolosta, vodaan stmontn kättää lnaarsta rgrssomalla. Lnaarsssa rgrssossa saatuhn mttauksn sovttaan lnaarnn mall (suora) stn, ttä valttu vrhkrtr mnmotuu. lsmmn kättt vrhfunkto on nlöllnn summa kaksta vrhstä, jollon lnaarnn rgrssomall mnmo suoran ja mttaustn välsn nlöllsn vrhn. Rgrssomall saadaan laskttua suraavast:

13 b ax J Vrhfunkto b ax ) ( ) ( ) ( Mttaukst vodaan järjstää mös matrsmuotoon: J suhtn paramtrn J muodosttaan mnmomalla Rgrssomall J b a x x x b a x x x ) ( ) ( ) ( ] [ ) ( össä massavrtaus vodaan ss kuvata pann ja vnttln aukolon lnaarsna funktona. Dgtaalvnttln aukot on mös suunntltu nn, ttä vrtaus vnttln läp muuttuu lähs lnaarsst vnttln aukolon funktona l mkäl pan ps vakona, muuttuu vrtaus vnttln läp lnaarsst kun aukkoa kasvattaan. Massavrtauksll ss saadaan suraavanlann funkto. paramtr b stmotava ja ssääntulopan p on aukolo välllä on vnttln mssä k bkp b p k f Q, 55, ),, ( Paramtrn b stmontn vodaan ss kättää llä kuvattua lnaarsta rgrssota kun prossssta krätään mttauksa pansta, vrtaukssta ja vnttln aukolosta. Prossssta vodaan krätä dataa tdostoon ja mall vodaan stmoda Matlabssa. Krätn datan tul ss ssältää malln slttäjät ja sltttävät muuttujat mahdollsmman laajalta alulta kutnkn stn, ttä data on valda (vrtausmttaus van l/mn ast). Krätn datan tul ss ssältää mttaukst ssääntulopansta, vnttln aukolosta skä vrtaukssta. Prosssn ohjaamnn Labvw-ohjlmstolla Prosssn ohjaamsn kättään Labvw-ohjlmstoa, joka on kätössä monssa prossstollsuudn sovlluksssa. Labvw on tarkotttu rtsst mttaustn

14 3 kräämsn ja analsontn, mutta s sovltuu hvn mös prosssn ohjaamsn. Labvw on vsuaalnn ohjlmontmpärstö, jossa kakk ohjlmont tapahtuu graafstn komponnttn avulla. Its data lkkuu komponnttn välllä johtojn avulla. Ohjlmaan vo mös totuttaa rlasa ohjlmontrakntta kutn whl- ja forslmukota. Ohjlmston avulla on suhtllsn hlppo totuttaa prosssn ohjaus skä kättölttmä. Labvw:n pruskomponntt on nn sanottu vrtuaal-nstrumntt (vrtual nstrumnt). ähn nstrumntthn vodaan muodostaa haluttua tomnnallsuutta ja ntä vodaan ajaa. Instrumnttja kättään mös tostn nstrumnttn alohjlmna. Vrtuaal-nstrumntt koostuvat tupanlsta (front panl) ja ohjlmontpanlsta (block dagram). Etupanln avulla vodaan ohjlmaan muodostaa kättölttmä ja sn kautta määrtllään nstrumntn ssäänmnot ja ulostulot l kommunkont mudn nstrumnttn kanssa. Ohjlmontpanlssa taas totuttaan nstrumntn tomnnallsuus graafstn komponnttn avulla. Kuvassa 9 on näkvssä todllsssa prosssssa kättn päänstrumntn tupanl ja samalla ss prosssn kättölttmä. Kuva 9. Prosssn tupanl l kättölttmä Prosssn kättölttmä ssältää nätöt, jossa on näkvssä vrtaus, vrtauksn astusarvo, lämpötla, ssään- ja ulostulopant, pan-ro skä dgtaalsn vnttln aukolo. Prosssa vodaan ohjata nljässä r tlassa ja tla vodaan valta nättöjn läpuollta lötvästä Slct control -valkosta. Valttavat tlat ovat manuaalohjaus, PIsäätö, mötäktkntäsäätö (fdforward-control) skä massavrtaus-säädn. Kolm nsmmästä tlaa ohjaavat dgtaalsta vnttlä ja vmnn ohjaa massavrtasäädntä. Valntanapn okalla puollla vo asttaa pääloopn ajastuksll tavotarvon ja nähdä

15 4 totutunn arvon mllskuntna. Vasmmalla olvasta valkosta vodaan muuttaa kolmannn vnttln aukoloa, ssääntulopantta skä dgtaalsn vnttln aukoloa. Lsäks almpana olvassa laatkossa vodaan muuttaa säätmn astusarvoja. Okalla lhäällä näkvllä naplla vodaan ssääntulopanll ja vrtauksn astusarvoll thdä asklkokta. Muut napt mahdollstavat prosssdatan kräämsn loktdostoon ja uudn loktdoston luomsn. toa vodaan tallntaa lokn joko jatkuvast (contnuous log), van asklkokt (stp log) ta ksttäsnä nättnä (log sngl sampl). Kakk lokdata krätään samaan tdostoon kunns pantaan crat nw logfl -nappa, jollon uudn loktdoston nm vodaan määrtllä. Krätt data vodaan valta ohjlmontpanlssa. Prosssn ohjlmontpanl ssältää kakn tomnnallsuudn, kutn I/O:n lukmsn ja krjottamsn skä prosssn säädön. Mttauskortn kättö tapahtuu kortn valmstajan tomttaman labvw-ajurn avulla. Mttauskortlta krätt data lutaan taulukkomuuttujaan, josta dataa vodaan kästllä. Alla olvassa kuvassa nähdään lukmsn totuttavat vrtuaal-nstrumntt, joll on määrtlt tarvttavat paramtrt. Data lkkuu kuvassa näkvssä johdossa, johtojn vär krtoo mnkä tppstä dataa johdossa lkkuu. Lutut analogst ssääntulot näkvät kuvan okassa runassa oranssna johtona. Kuva. Analogstn ssääntulojn lukmnn mttauskortlta Muta ohjlmontpanln osa on nähtävssä suraavassa kuvassa. Ohjlmontpanlssa näkvät komponntt koostuvat skä labvwn prusossta, jotka totuttavat muun muassa datan ja vrhdn kästtlä skä datan prtämstä kättölttmään. Loput komponntt ovat tsssään vrtuaal-nstrumnttja, jota kättään prosssn alohjlmna. Kun vrtuaal-nstrumntn päällä tuplaklkkaa hrllä, saadaan näkvn kssn vrtuaal-nstrumntn tupanl, jonka kautta vodaan vastaavast avata kssn nstrumntn ohjlmontpanl ja muuttaa sn tomntaa. Kakk kättölttmästä lötvät komponntt lötvät mös ohjlmontpanlsta, jollon ndn tomnta vodaan määrtllä.

16 5 Kuva. Prosssn ohjlmontpanl htävä laboratorossa Ltä totutttu PI-säädn ohjaamaan todllsta prosssa ja vrtä säätmn paramtrt. Vrtal mtn järjstlmä kättät pann välvaraston ollssa ktkttnä ja lman stä r tlantssa. Kokl pääloopn ajastuksll r arvoja ja mt mtn pääloopn ajastuksn tavotarvo kannattaa valta. Krää mttauksa vrtaukssta, pansta ja dgtaalsn vnttln aukosta ja stmo lnaarnn mötäktkntämall vrtauksll pann ja vnttln aukon funktona. Kätä stmotua malla vrtauksn säätämsn. Prossssta löt valmna vrtuual-nstrumntt, jolla vrtausta vodaan säätää. Estmonta vartn tul lok-nstrumnttn tulvaa dataa muokata sopvast. Suorta malln stmont krätstä datasta Matlabssa. Vrtal malln rsduaalja, sopko lnaarnn mall hvn dataan?

17 6 Kuva. Lnaarsn vrtaussäätmn vrtuaal-nstrumntt Vrtaa PI-säätmn, stmodun lnaarsn säätmn ja massavrtaussäätmn tomntaa. Kätä vrtaluun asklvasttta skä ssään- ja ulostulopandn muutoksa. allnna tstt tdostohn ja suorta vrtalu prtämällä tststä kuvaajat Matlabssa ja analsomalla n.