Гидростатические уровнемеры

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.

При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню.

При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью.

При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом. При небольшом расходе воздуха его давление в минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой — давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.

23) Емкостно́й уровнеме́р — один из типов электрических датчиков-измерителей уровня^[1]. Основан на принципе измерения уровня жидкости в резервуаре при помощи измерения электрической ёмкости датчика.

Датчик емкостного уровнемера представляет собой электрический конденсатор, состоящий из двух обкладок — изолированных проводников, помещенных в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется (иногда используется одна обкладка, а в качестве второй выступает проводящая стенка резервуара). Жидкость может свободно проникать в пространство между обкладками. Сигналом изменения уровня жидкости в резервуаре является изменение электрической ёмкости датчика.

При изменении уровня жидкости в резервуаре изменяется относительной диэлектрической проницаемости пространства между обкладками конденсатора в результате изменения уровня жидкости, поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости и среды без неё (например, воздуха) в общем случае различна. В результате изменяется и электрическая ёмкость датчика.

Емкостные уровнемеры используются также для измерения уровня сыпучих сред (песка, муки и т. д.).

24) Акустические средства измерений уровня

В настоящее время предложены различные принципы построения акустических уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации. В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществ­ляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями рас­стояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осу­ществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала). Уровнемеры, в которых ло­кация границы раздела двух сред осуществляется через газ, назы­вают акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред через слой рабочей среды - ультразвуковыми. Преимуществом акустических уровнемеров является независи­мость их показаний от физико-химических свойств и состава рабо­чей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня неоднородных кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жид­костей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уров­немеров температуры, давления и состава газа. Как правило, акустические уровнемеры представляют собой со­четание первичного, промежуточного, а в некоторых случаях и пе­редающего измерительных преобразователей. Поэтому, строго го­воря, акустические уровнемеры следует рассматривать как часть измерительной системы с акустическими измери­тельными преобразовате­лями рисунок 1.27. Уровнемер состоит из пер­вичного 1 и промежуточ­ного 2 преобразователей. Первичный преобразова­тель представляет собой пьезоэлемент, выполняющий одновременно функции источника и приемника ультразвуковых колебаний. При измерении генератор 9 с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом 1 в ультрозвуковые импульсы. Последние распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от границы раздела жидкость – газ и воспринимаются тем же пьезоэлементом, преобразующим их в электрические импульсы. После усиления устройством 1 импульсы подаются на схему измерения 2 времени отражения сигнала, где они преобразуются в прямоугольные импульсы определенной длительности. В ячейке сравнения 3 осуществляется сравнения импульса, подаваемого со схемы 2, с длительностью импульса, подаваемого с элемента обратной связи 5, которой преобразует унифицированный токовый сигнал в прямоугольный импульс определенной длительности. Если длительность импульса схемы измерения 2 отличаются от длительности импульса в цепи обратной связи, то на выходе ячейки сравнения 3 появляются сигнал разбаланса, который усилительно – преобразующим устройством 4 изменяет выходной унифицированный токовый сигнал до тех пор, пока не будет достигнуто равенство длительностей импульсов. Для уменьшения влияния температуры на сигнал измерительной информации предусмотрен блок температурной компенсации 8, контроль за работой электрической схемы осуществляется блоком контроля 7, исключения влияния различного рода помех на работу промежуточного преобразователя достигается с помощью помехозащитного устройства 6.  Расстояние между первичным и промежуточным преобразовате­лями не более 25 м. Диапазоны измерений уровня 0—1, 0—2, 0—3 м. Класс точности 2,5. Температура контролируемой среды 10—50 °С, давление в технологическом аппарате до 4 МПа. Акустические уровнемеры сыпучих сред по принципу действия и устройству аналогичны акустическим уровнемерам жидких сред. Акустические уровнемеры сыпучих сред входят в номенклатуру приборов ГСП и имеют унифицированный токовый сигнал. Они могут быть одноточечными и многоточечными. Многоточечные уровнемеры состоят из нескольких (до 30) первичных измеритель­ных преобразователей акустического типа, каждый из которых размещается на отдельном технологическом аппарате и через ком­мутатор подключаются к промежуточному измерительному преоб­разователю. Уровнемеры выпускаются во взрывобезопасном ис­полнении Классы точности 1,0; 1,5. Минимальный диапазон изме­рений 0—2,5 м, максимальный 0—30 м. Контролируемая среда - гранулы диаметром 2—200 мм.

26) Ротаметр — прибор для определения объёмного расхода газа или жидкости в единицу времени.

Принцип работы: Ротаметр состоит из конической трубки, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок-индикатор. Измеряемый поток жидкости или газа проходит через трубку снизу вверх и поднимает поплавок. Чем выше поплавок, тем больше площадь вокруг него, через которую может течь поток. Поднявшись настолько, что сила тяжести F_G уравновешивает подъёмную силу F_r со стороны потока, поплавок останавливается. Таким образом, каждому положению поплавка соответствует определённый расход — определение этого соответствия называется градуировка (калибровка). Для отечественных ротаметров градуировка производится на заводе изготовителе по воздуху и воде при норм. условиях. Зарубежные ротаметры, например немецкой фирмы Krohne, как правило градуируются по параметрам измеряемой среды заказчика.

Трубки ротаметров могут быть стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). Поплавки в зависимости от свойств жидкости или газа изготовляют из различных металлов либо пластмасс.

27) Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 40-х годов XX века в промышленности применяются электромагнитные расходомеры. Неоспоримые достоинства электромагнитных расходомеров — отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, высокая точность, быстродействие — определили их широкое распространение. В проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.

Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.

Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнит­ного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем. 

Электромагнитные расходомеры могут быть выпол­нены как с постоянными магнитами, так и с электромагнитами, питаемыми пере­менным током. Электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Труба в зоне измерения расходомера (длина участка 2..5 диаметров трубы) выполняется из непроводящего немагнитного материала. Чаще всего делается футеровка (вставка) из инертных пластиков (типа фторопласта, полиэтилена) в трубу из нержавеющей стали. Для уменьшения турбулентности потока в зоне измерения рекомендуется монтировать расходомер в прямолинейные участки без изменения сечения на протяжении 5..10 диаметров трубы до и после расходомера.

Наибольшее применение расходомеры нашли в учёте водных и энергетических ресурсов (в частности в отопительных системах).

Электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строи­тельстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро ме­няющихся расходов.

28) Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры. Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность – определили их широкое распространение.

Существуют три основные методики определения расхода жидкости при помощи ультразвука:

• время-импульсный метод (фазового сдвига),

• доплеровские расходомеры,

• метод сноса ультразвукового сигнала (корреляционный).

29) Газоанализа́тор — измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами. Автоматические газоанализаторы непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов. По принципу действия автоматические газоанализаторы могут быть разделены на 3 группы:

1. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. При помощи таких газоанализаторов, называемых объёмно-манометрическими или химическими, определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов.

2. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоколориметрические, хроматографические и др.). Термохимические, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа, применяют главным образом для определения концентраций горючих газов (например, опасных концентраций окиси углерода в воздухе). Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Фотоколориметрические, основанные на изменении цвета определённых веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси, применяют главным образом для измерения микроконцентраций токсичных примесей в газовых смесях — сероводорода, окислов азота и др. Хроматографические наиболее широко используют для анализа смесей газообразных углеводородов.

3. Приборы, основанные на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, денсиметрические, магнитные, оптические и др.). Термокондуктометрические, основанные на измерении теплопроводности газов, позволяют анализировать двухкомпонентные смеси (или многокомпонентные при условии изменения концентрации только одного компонента). При помощи денсиметрических газоанализаторов, основанных на измерении плотности газовой смеси, определяют главным образом содержание углекислого газа, плотность которого в 1,5 раза превышает плотность чистого воздуха. Магнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси. При помощи ультрафиолетовых газоанализаторов определяют содержание в газовых смесях галогенов, паров ртути, некоторых органических соединений.

На данный момент наиболее распространены приборы из двух последних группы, а именно электрохимические и оптические газоанализаторы. Такие приборы способны обеспечить контроль концентрации газов в режиме реального времени. Все приборы газового анализа также могут быть классифицированы:

• по функциональным возможностям (индикаторы, течеискатели, сигнализаторы, газоанализаторы);

• по конструктивному исполнению (стационарные, переносные, портативные);

• по количеству измеряемых компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные);

• по количеству каналов измерения (одноканальные и многоканальные);

• по назначению (для обеспечения безопасности работ, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля выхлопных газов автомобилей, для экологического контроля).

Однако, существуют приборы, которые, благодаря своей уникальной конструкции и программному обеспечению, способны в реальном времени проводить анализ нескольких компонентов газовой смеси одновременно (многокомпонентные газоанализаторы), при этом записывая в память полученную информацию. Такие газоанализаторы незаменимы в промышленности, где необходимо непрерывно получать информацию о выбросах или контролировать технологический процесс в режиме реального времени. Анализ проводится также и для компонентов, которые ранее можно было определить лишь другими методами ([например, общая концентрация углеводородов (в Журнале «Analytical Chemistry» Американского Химического Общества)и др.) в коррозивных газах и других агрессивных средах. Такие приборы, взависимости от исполнения, применяются и в качестве систем непрерывного мониторинга газов в промышленности, и в качестве портативных приборов для исследований или экологического мониторинга. Современные газоанализаторы высокого класса, кроме надежности и удобства в работе, имеют множество дополнительных функций, например:

• Измерение дифференциального давления газа

• Определение скорости и объемного расхода газового потока

• Определение расхода газа/дизтоплива

• Встроенную память

• Беспроводной интерфейс для передачи данных на ПК

• Статистическая обработка результатов

• Расчет массового выброса загрязняющих веществ

31) Запорная арматура — вид трубопроводной арматуры, предназначенный для перекрытия потока среды. Она имеет наиболее широкое применение и составляет обычно около 80% от всего количества применяемых изделий. К запорной арматуре относят и пробно-спускную и контрольно-спускную арматуру, используемую для проверки уровня жидкой среды в ёмкостях, отбора проб, выпуска воздуха из верхних полостей, дренажа и т.д.

К запорной арматуре относят:

• Краны

• Клапаны(вентили)

• Задвижки

• Заслонки(поворотные затворы)

Регулирующая арматура — это вид трубопроводной арматуры, предназначенный для регулирования параметров рабочей среды. В понятие регулирования параметров входит регулирование расхода среды, поддержания давления среды в заданных пределах, смешиваниеразличных сред в необходимых пропорциях, поддержание заданного уровня жидкости в сосудах и некоторые другие. Выполнение всех своих функций регулирующая арматура осуществляет за счёт изменения расхода среды через своё проходное сечение.

В зависимости от конкретных условий эксплуатации применяются различные виды управления регулирующей арматурой, чаще всего при этом используются внешние источники энергии и управление по команде от датчиков, фиксирующих параметры среды в трубопроводе. Используется также автоматическое управление непосредственно от рабочей среды. В современной промышленности уже редко, но все же встречается, основной способ управления регуляторами в прошлом — ручное управление (см. рисунок справа).

В зависимости от параметров рабочей среды (давления, температуры, химического состава и др.) к каждому виду регулирования предъявляются различные требования, что привело к появлению множества конструктивных типов регулирующей арматуры. С точки зрения автоматизациипромышленных предприятий каждый из них рассматривается как элемент системы автоматического управления технологическим процессом, протекающим с участием жидких и газообразных рабочих сред и регулирующимся под воздействием получаемой командной информации

32) Электрическим исполнительным механизмом в системах управления обычно называют устройство, предназначенное для перемещения рабочего органа в соответствии с сигналами, поступающими от управляющего устройства.

Рабочими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты и другие регулирующие и запорные органы, способные производить изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в объект управления. При этом перемещение рабочих органов может быть как поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких оборотов. Следовательно, исполнительный механизм с помощью рабочего органа осуществляет непосредственное воздействие на управляемый объект.

В общем случае электрический исполнительный механизм состоит из электропривода, редуктора, узла обратной связи, датчика указателя положения выходного элемента и конечных выключателей.

В качестве электропривода в исполнительных механизмах используются либо электромагниты, либо электродвигатели с понижающим редуктором для снижения скорости перемещения выходного элемента до величины, обеспечивающей возможность непосредственного соединения этого элемента (вала или штока) с рабочим органом.

Узлы обратной связи предназначены для введения в контур регулирования воздействия, пропорционального величине перемещения выходного элемента исполнительного механизма, а следовательно, и сочлененного с ним рабочего органа. С помощью конечных выключателей производится отключение электропривода исполнительного механизма при достижении рабочим органом своих конечных положений во избежание возможных повреждений механических звеньев, а также для ограничения перемещения рабочего органа.

Как правило, мощность сигнала, вырабатываемого регулирующим устройством, бывает недостаточной для непосредственного перемещения рабочего органа, поэтому исполнительный механизм можно рассматривать как усилитель мощности, в котором слабый входной сигнал, усиливаясь во много раз, передается на рабочий орган.

Все электрические исполнительные механизмы, нашедшие широкое применение в самых различных отраслях современной техники автоматизации производственных процессов, можно разделить на две основные группы:

1) электромагнитные

2) электродвигательные. 

Классификация электрических исполнительных механизмов

К первой группе относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными клапанами, вентилями, золотниками и т. п. Сюда же можно отнести исполнительные механизмы с различными видами электромагнитных муфт. Характерная особенность электрических исполнительных механизмов этой группы состоит в том, что необходимое для перестановки рабочего органа усилие создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью исполнительного механизма.

Для целей регулирования соленоидные механизмы обычно применяются только в системах двухпозиционного регулирования. В системах автоматического управления в качестве исполнительных элементов часто используются электромагнитные муфты, которые подразделяются на муфты трения и муфты скольжения.

Ко второй, наиболее распространенной в настоящее время группе относятся электрические исполнительные механизмы с электродвигателями различных типов и конструкций.

Электродвигательные исполнительные механизмы обычно состоят из двигателя, редуктора и тормоза (последнего иногда может и не быть). Сигнал управления поступает одновременно к двигателю и тормозу, механизм растормаживается и двигатель приводит в движение выходной орган. При исчезновении сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает механизм. Простота схемы, малое число элементов, участвующих в формировании регулирующего воздействия, и высокие эксплуатационные свойства сделали исполнительные механизмы с управляемыми двигателями основой для создания исполнительных устройств современных промышленных систем автоматического регулирования.