книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

В случае измерения перепада давления через кольцевые камеры длины прямых участков до и после сужающего устройства могут быть сокращены вдвое (возникает погрешность измерения расхода 0,5%) или втрое (возникает погрешность 1%). В любом случае длина прямого участка перед сужающим устройством не должна быть меньше 6D20.

После местных сопротивлений, создающих вихревой поток, на­ пример после группы колен в разных плоскостях, для уменьшения необходимых длин прямых участков иногда устанавливают пла­ стинчатые или трубчатые струевыпрямители. Наименьшая допусти­ мая длина прямого участка трубопровода между струевыпрямите­

Не допускаются эксцентриситет, т. е. смещение оси сужающего устройства по отношению к оси трубопровода, и неперпендикуляр­ ность плоскости диафрагмы к оси трубопровода. Уплотнительные прокладки не должны выступать во внутреннюю полость трубо­ провода. Все это увеличивает коэффициент расхода.

При выборе сужающего устройства руководствуются следую­ щими соображениями:

а) сопло Вентури устанавливают, если остаточная потеря дав­ ления имеет решающее значение;

б) при одних и тех же значениях расхода и перепада давления сопло обеспечивает примерно одинаковую потерю давления и бо­ лее высокую точность измерений в сравнении с диафрагмой, так как величина т у сопла получается меньшей;

в) при одних и тех же значениях т и перепада давления сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма;

г) при 0,3 предельные числа Рейнольдса у сопла меньше, чем у диафрагмы (т. е. больше диапазон измерений без дополни­ тельной погрешности от влияния вязкости);

д) сопло устанавливают при измерении расхода агрессивных или загрязненных веществ, так как изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода сопла в меньшей степени, чем на коэффициент расхода диафрагмы;

е) сопло устанавливают, если прямолинейные участки трубо­ провода коротки и по этим соображениям нельзя установить диа­ фрагму;

ж) диафрагмы устанавливают во всех остальных случаях (ка­ мерные — на трубопроводах с диаметром менее 400 мм, диско­ вые— на трубопроводах с диаметром более 400 мм).

Таким образом, по степени экономичности в отношении потерь давления на первое место должно быть поставлено сопло Вентури, на второе — сопло и диафрагма. Однако сложность изготовления сопел и сопел Вентури, значительная их стоимость и размеры ограничивают их применение. При измерении расхода воды и пара чаще всего применяют диафрагмы.

Дифманометры расходомеров переменного перепада делятся на

неавтоматические — однотрубные и двухтрубные, и автоматичес­ кие— поплавковые, кольцевые, мембранные, сильфонные и коло­ кольные.

Выбор типа дифманометра, его верхнего предела измерений разности давлений и верхнего предела показаний расхода по шкале (диаграмме) производят, руководствуясь следующим:

а) дифманометры могут применяться для измерения расхода только тех веществ, которые указаны в технических условиях за- вода-изготовителя (если при этом не производится непрерывная подача защитной жидкости или газа в соединительные линии и не применяются разделительные сосуды); например, кольцевые диф­ манометры с водяным заполнением не могут использоваться для измерения расхода жидкостей или водяного пара, мембранные дифманометры без специальной защиты не могут использоваться для измерения расхода агрессивных веществ и т. д.;

б) максимальное давление, на которое рассчитан дифманометр, не должно быть меньше максимального рабочего давления в тру­ бопроводе перед сужающим устройством;

в) верхний предел показаний в единицах расхода по шкале (диаграмме) дифманометра соответственно ожидаемому техноло­ гическому максимальному расходу вещества должен быть выбран из ряда: (1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8 ) 10п, где п — любое целое (положительное или отрицательное) число или нуль; выби­ рать из указанного ряда необходимо ближайшее большее значе­ ние верхнего предела шкалы относительно ожидаемого максималь­ ного расхода; например, при ожидающемся максимальном расходе 890 кг/ч следует выбрать верхний предел шкалы 1000 кг/ч; во всех случаях средний эксплуатационный расход вещества должен рас­ полагаться в диапазоне от 50 до 80% длины шкалы; временное наименьшее значение расхода не должно составлять менее 30% предельного значения по шкале (диаграмме); в противном случае будет недостаточной точность измерения и суммирования измеряе­ мого расхода относительно его текущего значения;

г) верхний предел измерений разности давлений (перепада) дифманометра должен быть выбран либо с учетом допустимой от установки сужающего устройства потери давления, либо без учета последней, если потеря давления не имеет значения для работы технологической установки.

В тех случаях, когда потеря давления не имеет значения, пере­ пад давления следует выбирать таким, чтобы величина т была близка к 0,2 (дальнейшее уменьшение т мало улучшает качество измерений).

Электромагнитные расходомеры. В основу измерения расхода жидкостей электромагнитными расходомерами положен закон электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому при дви­ жении электрического проводника в магнитном поле в проводнике

9 8

Для компенсации паразитной, так называемой трансформатор­ ной э. д. с., наводимой полем первичного преобразователя в витке, который состоит из соединительных проводов, электродов, жидко­ сти и нагрузки, выводы от одного из электродов монтируются сим­ метрично расположенными проводниками, замкнутыми на низко­ омный потенциометр. Напряжение, получаемое от первичного преобразователя, снимается с ползуна потенциометра и другого электрода. При настройке прибора (когда приемное устройство за­ полнено неподвижной жидкостью), изменяя положение ползуна, выбирают точку, потенциал которой равен потенциалу второго электрода.

Измерительный прибор выполнен в виде электронного показы­ вающего прибора со 100%-ной шкалой. Прибор имеет выход по постоянному току 0—5 мА, обеспечивающий подключение стан­ дартных электронных потенциометров и регулирующих блоков. Суммарное сопротивление нагрузки не должно превышать 3,5 кОм.

Для получения нужной точности измерения однородное магнит­ ное поле должно создаваться в преобразователе на протяженности не менее трех диаметров проходного сечения его трубы и при этом должны обеспечиваться условия симметричности скоростей течения жидкости через трубу преобразователя. Если первое условие вы­ полняется посредством увеличения размеров преобразователя, то второе приводит к необходимости иметь значительной длины пря­ мой участок трубопровода между источником возмущающего воз­ действия (клапаном, задвижкой, заслонкой и т. п.) и преобразова­ телем, что затрудняет монтаж и эксплуатацию.

Распределение электрических потенциалов в плоскости элект­ родов, перпендикулярной направлению течения жидкости и на­ правлению магнитного поля, даже при однородном магнитном поле не является однородным, так как скорости потока жидкости по сечению трубы не одинаковы, особенно при отсутствии прямых участков перед преобразователем. При установке заслонки перед электродами на расстоянии, равном трем диаметрам трубопровода, погрешность измерения расхода, в зависимости от поля скоростей, теоретически может составлять от —30 до +30%. В действитель­ ности погрешность измерения не достигает такого значения, но все же является значительной. Значение погрешности измерения опре­ деляется направлением струй жидкости, отбрасываемых поверх­ ностью заслонки, и изменяется при перемещении заслонки в новое положение.

Сведение указанных погрешностей к минимуму достигается в электромагнитных расходомерах с неоднородным магнитным по­ лем, у которых размеры магнитной индукции и скорости потока в различных точках трубы расходомера характеризуются однознач­ ными зависимостями. Возникающие при возмущениях потока по­

100

шенные в 4—5 раз размеры по сравнению с размерами расходо­ меров с однородным магнитным полем; возможность применения их для ^измерения больших расходов; равномерность шкалы пока­ зывающего прибора во всем диапазоне измерений, что позволяет использовать ее начиная от нуля; высокая чувствительность; отсут­ ствие каких-либо устройств в трубе преобразователя, препятствую­ щих прохождению жидкости и'вызывающих потерю давления; коррозиоустойчивость; независимость результатов измерения от плот­ ности, вязкости, температуры и типа электропроводной жидкости; независимость, показаний от характера потока и статических дав­ лений в трубопроводе; возможность использования в автоматизи­ рованных системах управления производством для определения расхода волокнистых материалов на изготовление бумаги и т. д.

К достоинствам электромагнитных расходомеров с о д н о р о д ­ ным м а г н и т н ы м п о л е м относятся следующие: равномер­ ность шкалы показывающего прибора; высокая чувствительность; отсутствие потери давления в трубопроводе от установки преобра­ зователя; независимость результатов измерения от плотности, вяз­ кости, температуры и типа электропроводной жидкости; коррозиоустойчивость; возможность компенсации погрешности, вносимой емкостью кабеля, что позволяет относить показывающий прибор от преобразователя на расстояние до 300 м и т. д.

Основная погрешность измерений электромагнитными расходо­ мерами не превышает ± 1,5 % от верхнего предела показаний.

Область и особенности применения расходомеров в целлюлоз­ но-бумажной промышленности. В целлюлозно-бумажной промыш­ ленности затрачивается огромное количество электроэнергии на непрерывную перекачку больших объемов воды, а также целлюлоз­ ной, бумажной и картонной масс и других веществ. При этом ча­ сто расходы перекачиваемых жидких веществ превышают нормы из-за снижения концентрации, т. е. бесцельно тратится электро­ энергия. Если же концентрация масс повышается, то возрастает расход не только электроэнергии, но и целлюлозы и древесины. Поэтому крайне важным с экономической точки зрения является учет и регулирование расхода воды, целлюлозной массы и других веществ. Не менее важны учет и регулирование расхода пара, по­ требляемого в больших количествах в целлюлозно-бумажном про­ изводстве, особенно на варку целлюлозы и сушку бумажного, цел­ люлозного или картонного полотна.

Для этих целей чаще всего применяются расходомеры пере­ менного перепада, которые надежно работают на водяных и паро­ вых магистралях и часто отказывают в работе при измерении рас­ хода волокнистой массы. Последнее связано с затруднениями в предохранении первичных преобразователей (диафрагм, сопел и сопел Вентури) от забивания волокнистыми материалами и износа. Кроме того, эти устройства оказывают сопротивление проходя­ щему потоку, на преодоление которого непроизводительно затра­ чивается электроэнергия, подаваемая на электроприводы насосов. Показания этих расходомеров зависят от плотности и температуры

101

жидкости, от характера потока и других факторов. Начало шкалы приборов (до 20—30%) обычно не используется вследствие незна­ чительности перепадов при малых расходах и недостаточной точ­ ности показаний в этом диапазоне.

Использование электромагнитных расходомеров обеспечивает лучшие точностные и эксплуатационные характеристики, поскольку величина индуктируемой э.д. с. не зависит от характера и типа жидкости (если она электропроводна), ее температуры, плотности и т. д. Первичные преобразователи электромагнитных расходоме­ ров не оказывают сопротивления проходящему потоку, при соот­

массы.

Расходомеры постоянного перепада (ротаметры) широко при­ меняются для измерения и регулирования расходов двуокиси хлора, гипохлорита, хлорной воды и других корродирующих рас­ творов. Детали этих ротаметров, контактирующие с измеряемой средой, изготовляются из титанового сплава, коррозионностойкого к указанным жидкостям.

Область и особенности применения расходомеров в лесохимичес­ кой и гидролизной промышленности. Технологические объемные или массовые расходы жидкостей или газов в лесохимической и гидролизной промышленности невелики по своим значениям и по­ этому измерение расходов производится в основном ротаметрами. Для контроля расхода по месту установки применяются стеклян­ ные ротаметры, а для дистанционного контроля и автоматического управления — металлические ротаметры с пневматическими пере­ дающими преобразователями.

Электромагнитные расходомеры, хотя они и имеют хорошие эксплуатационные характеристики, в лесохимической и гидролиз­ ной промышленности не применяются. Это вызвано тем, что многие лесохимические и гидролизные предприятия относятся к взрыво­ опасным и поэтому оснащаются средствами автоматизации с пнев­ матическими преобразователями, каналами связи и контрольно­ измерительными приборами, действующими сжатым воздухом. Внедрение наряду с этими системами электромагнитных расходо­ меров значительно усложнит эксплуатацию средств автоматизации, что нецелесообразно.

Расходомеры переменного перепада в лесохимической и гидро­ лизной промышленности применяются для учета и регулирования расхода воды, пара и воздуха.

Область и особенности применения расходомеров в производстве древесных плит и пластиков. Для производства древесностружеч­ ных плит расходуется значительное количество тепла. Теплоно­ сителями, например,’ являются перегретая вода или пар. На вы­ работку древесноволокнистых плит затрачивается значительное количество воды, которая, например, при мокром способе производ­ ства используется для придания древесной массе необходимой кон­ центрации. Так же как и в целлюлозно-бумажной промышленно­

102

сти, расходы перекачиваемой насосами древесной массы часто пре­ вышают нормы из-за снижения концентрации, что приводит к ухуд­ шению экономических показателей. Если же концентрация древес­ ной массы повышается, то возрастает расход не только электро­ энергии, но и древесины. Поэтому измерение и регулирование расхода воды и других веществ способствуют экономии электро­ энергии и древесины. Для экономики предприятия важны учет и регулирование расхода перегретой воды и пара, а также мазута или природного газа, расходуемых на горячее прессование, сушку и закалку плит, сушку древесной стружки, варку связующих и дру­ гие технологические процессы. Для измерения и регулирования расхода указанных веществ применяются расходомеры переменного и постоянного перепада, электромагнитные расходомеры.

ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Классификация приборов для измерения уровня. Уровень изме­

держания его высоты постоянной. В обоих случаях методы и при­ боры для измерения уровня могут быть разными. В первом случае количество вещества определяют геометрическими размерами объ­ екта (цистерны для хлора, варочного котла и т. п.). При этом по­ ложение уровня может изменяться в широких пределах от дна до

пределами, не выходящими обычно за значения ±150—200 мм. Это обстоятельство заставляет предъявлять различные требования к методам измерения, а также к устройству, чувствительности и точности приборов и позволяет разделить уровнемеры на две основ­ ные группы: уровнемеры узкого диапазона измерения и уровне­ меры широкого диапазона измерения.

Уровнемеры первой группы часто имеют нулевую отметку в се­ редине шкалы, соответствующую нормальной высоте уровня, и де­ ления, показывающие отклонения от нормального положения уровня в обе стороны от нуля. Уровнемеры второй группы имеют одно­ стороннюю шкалу. По шкале в этом случае отсчитывают высоту уровня по отношению к какой-либо постоянной отметке.

Иногда уровнемеры широкого диапазона градуируют в объем­ ных мерах, т. е. на их шкалах вместо высоты уровня указывается объем жидкости, содержащейся в резервуаре при данном уровне.

В практике обычно придерживаются классификации уровнеме­ ров по методам измерения, разделяя их^на следующие группы:

манометрические;

103

г) акустические — ультразвуковые; д) электрические — кондуктометрические, емкостные и индук­

тивные; е) оптические — фотоэлектрические;

ж) ядерные — радиоизотопные; з) весовые — тензометрические.

Механические уровнемеры. П о п л а в к о в ы е у р о в н е м е р ы основаны на применении пустотелого металлического поплавка, плавающего на поверхности жидкости и перемещающегося вместе с уровнем. Перемещение поплавка гибким шнуром, тросом или лентой передается указателю, движущемуся вдоль рейки со шка­ лой, установленной снаружи резервуара. Такая система применя­ ется для высоких баков, в которых измерение уровнемерными стек­ лами затруднительно вследствие значительного перемещения уровня. В массных мешальных бассейнах применяется поплавко­ вый уровнемер с длинным рычагом, к одному концу которого при­ креплен поплавок, а другой конец, короткий, связан с дистанцион­ ной передачей показаний на первичный прибор.

Нужно следить, чтобы вязкие материалы не осаждались на по­ плавке, так как это изменит его плавучесть и, следовательно, пока­ зания прибора будут неправильными. Чтобы уменьшить осаждение вязких материалов на поплавке, ему придается сферическая форма или верхняя часть его делается в виде конуса. Абсолютная погреш­

ются для измерения уровня сыпучих тел. В них входят: щуп, син­ хронный электродвигатель, поднимающий щуп и прерыватель, пе­ риодически выключающий двигатель. При выключении двигателя щуп под действием собственного веса опускается до уровня конт­ ролируемой среды. Положение щупа передается электрической или пневматической дистанционной системой на первичный измери­ тельный прибор. Абсолютная погрешность измерения этими уров­ немерами не превышает ± 2 0 мм.

Пневматические уровнемеры. Б а р б о т а ж н ы е у р о в н е м е р ы основаны на изменении сопротивления слоя жидкости газовому потоку в зависимости от высоты столба жидкости над отверстием пьезометрической (барботажной) трубки, через которую непре­ рывно поступает сжатый воздух (иногда вода).

На рис. 28 показано несколько вариантов применения барботажных уровнемеров с пьезометрической трубкой для измерения и регулирования уровня в производственных установках отбельного отдела. На рис. 28, а и б показано применение уровнемеров для измерения уровня в устройствах, работающих под избыточным дав­ лением, а на рис. 28, в, г и д — в устройствах, работающих под атмосферным давлением.

В установках, показанных на рис. 28, а, в и д, в пьезометричес­ кие трубки подается воздух, а в установке, приведенной на рис. 28, б, г — вода.

104

В качестве первичных приборов используются неавтоматические или автоматические дифманометры.

При измерении уровня в объектах под атмосферным давлением плюсовая камера, например чашечного однотрубного дифмано-

Рис. 28. Измерение уровня барботажными уровне­ мерами с пьезометрической трубкой:

метра, соединяется с пьезометрической трубкой, выходное отвер­ стие которой зачастую располагается почти около дна контроли­ руемого объекта. Через фильтр, редуктор давления и ротаметр пьезометрическая трубка непрерывно продувается очень неболь­ шим потоком воздуха.

105

Давление в трубке и плюсовой камере дифманометра будет равно гидростатическому давлению столба жидкости от конца по­ груженной трубки до уровня жидкости в контролируемом объекте. Необходимо только следить за тем, чтобы поток воздуха в трубке был минимальным, иначе в трубке будет возникать подпор давле­ ния и дифманометр будет показывать больше, чем следует. Конт­ роль и регулирование расхода воздуха в трубке осуществляются по показаниям ротаметра.

При измерении уровня в объектах с избыточным давле­ нием пространство над уровнем соединяется с минусовой камерой, а пьезометрическая трубка — с плюсовой камерой дифмано­ метра.

Для измерения уровня волокнистых материалов в смеси с во­ дой, т. е. целлюлозной, древесной и других масс, в объектах, где узкая трубка может забиваться волокнистыми материалами, сле­ дует снабжать открытый конец трубки колоколом.

Показания барботажных уровнемеров зависят от удельной плот­ ности и вязкости измеряемой жидкости. Поэтому изменение кон­ центрации или композиции контролируемой массы, а также ее температуры вызывает изменение показаний прибора. При благо­ приятных условиях измерения погрешность не превышает ±5% от диапазона шкалы измерительного прибора.

Гидростатические уровнемеры. С м о т р о в о е у р о в н е м е р н о е с т е к л о состоит из стеклянной трубки, верхний и нижний концы которой соединяются с контролируемым объектом таким образом, чтобы середина стекла находилась на высоте нормального уровня. За стеклом располагается шкала, градуированная в линейных или объемных единицах или же процентах полного объема резервуара. Одним уровнемерным стеклом обычно пользуются для наблюдения за уровнем, изменение которого не превышает 1 м. Там, где необ­ ходимо наблюдать за более значительными изменениями уровня, применяют несколько коротких трубок. Устанавливают их так, чтобы пределы измерения каждой из них перекрывали друг друга с тем, чтобы уровень жидкости всегда был виден в какой-нибудь из стеклянных трубок. Погрешность измерения уровнемерными стеклами не превышает ±2,5%.

Б у й к о в ы е у р о в н е м е р ы основаны на измерении выталки­ вающей силы, действующей на буек, погруженный в жидкость и удерживаемый в заданном положении упругой силой торсионной трубки. Длина буйка должна быть не меньше диапазона измерения уровня. Погрешность измерения зависит от изменения удельной плотности контролируемой жидкости в процессе эксплуатации и не превышает ±1,5—2,5% от диапазона измерения.

Д и ф м а н о м е т р и ч е с к и е у р о в н е м е р ы основаны на не­ посредственном измерении гидростатического давления столба жид­ кости, находящейся в контролируемом объекте. В качестве изме­ рительного прибора в комплектах этих уровнемеров используются жидкостные дифманометры с ртутным заполнением или механичес­ кие дифманометры с упругими чувствительными элементами —

106