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

мембранные и сильфонные. Они включаются по схемам, приведен­ ным на рис. 29, а, б, в и г.

Для обеспечения основного принципа измерения по данному ме­ тоду к максимально возможной отметке уровня в аппарате под­ ключают сосуд постоянного уровня 2, иначе называемый уравни­ тельным сосудом. При изменении уровня агрессивных жидкостей применяют также разделительные сосуды 3. Показания подобных

а В

Рис. 29. Дифманометрические уровнемеры:

метр; 2 — уравнительный сосуд; 3 — разделительный сосуд; 4 — запорный вентиль

уровнемеров зависят от температуры измеряемой среды; погреш-

с измеряемой средой. Например, используется свойство ультразву­ ковых колебаний отражаться от границы раздела двух сред. При достаточно отличающихся размерами акустических сопротивлений сред (например, газ и жидкость) почти вся энергия посланного ультразвукового сигнала отражается от границы их раздела,

107

воспринимается и усиливается электронным усилителем. О высоте уровня судят по времени распространения ультразвукового сиг­ нала. Погрешность измерения уровня ультразвуковыми уровнеме­ рами составляет +1 —1,5% и зависит от постоянства плотности измеряемой среды.

Электрические уровнемеры. К о н д у к т о м е т р и ч е с к и е у р о в н е м е р ы основаны на изменении электрического сопротив­ ления первичного измерительного преобразователя в зависимости от высоты уровня электропроводящей жидкости в контролируемом объекте. Для этого в жидкость погружают активное сопротивле­ ние, часть которого при изменении уровня шунтируется измеряемой средой. Погрешность кондуктометрических уровнемеров не превы­

шает ±2,5%, однако может резко возрасти в результате налипа­ ния среды, например волокнистых материалов, на чувствительный

измерительный преобразователь представляет собой ‘конденсатор, погружаемый в измеряемую жидкую или сыпучую среду.

На рис. 30 представлена принципиальная электрическая схема емкостного индикатора уровня.

Первичный измерительный преобразователь через коаксиаль­ ный провод включен в одно из плеч моста переменного тока. Электрод первичного измерительного преобразователя для элек­ тропроводных сред покрыт изоляцией из полиэтилена или вини­ пласта. В соседнее плечо моста включены конденсатор переменной

108

емкости и переменное сопротивление, которые служат для регу­ лировки равновесия моста при установке стрелки измерительного прибора на нуль. В приборе имеется реле, позволяющее для конт­ роля работы прибора вместо первичного измерительного преобра­ зователя включать конденсатор постоянной емкости. При этом стрелка контрольного миллиамперметра отклоняется на контроль­ ную отметку его шкалы.

Измерительным прибором является миллиамперметр, шкала ко­ торого градуируется на месте установки уровнемера. Возможно подключение стандартного электронного потенциометра любого типа, но имеющего соответствующий предел измерения.

Два плеча измерительного моста индуктивно связаны с питаю­ щим его генератором высокой частоты. Для стабилизации высоко­ частотного напряжения используется миллиамперметр, в котором укреплены два емкостных флажка: один — подвижный на стрелке прибора, другой — неподвижный на конце шкалы. В рабочем со­ стоянии флажки находятся на расстоянии 1— 2 мм друг от друга. При изменении напряжения питающей сети флажки расходятся, емкость между «землей» и управляющей сеткой лампы генератора уменьшается, что ведет к восстановлению амплитуды высокочас­ тотного напряжения, уменьшившейся в результате изменения на­ пряжения питающей сети. При увеличении напряжения питания флажки сближаются, в результате чего амплитуда высокочастот­ ного напряжения уменьшается до нормы.

Пределы измерения уровня 0—10 м. Основная погрешность

дуктивности катушки первичного измерительного преобразователя, помещенного в резервуар с жидкостью. При повышении или пони­ жении уровня изменяется длина погруженной в жидкость части ка­ тушки. Это сопровождается увеличением или уменьшением индук­ тивности катушки в связи с изменением электрических потерь в из­ меряемой среде. Индуктивные уровнемеры применяются для сред с высокой электрической проводимостью. Основная погрешность этих уровнемеров не превышает ±2,5% от верхнего предела изме­ рения.

Оптические уровнемеры. Ф о т о э л е к т р и ч е с к и е у р о в н е ­ ме р ы основаны на изменении интенсивности светового потока при повышении или понижении уровня измеряемой среды. В диамет­ рально противоположных стенках объектов измерения делаются защищенные стеклами отверстия. С одной стороны устанавлива­ ются осветительные устройства, с другой — два фотоэлемента. Один из фотоэлементов располагается несколько выше нормального по­ ложения уровня, другой — несколько ниже. Фотоэлементы осве­ щают отраженными от поверхности световыми потоками. При изме­ нении уровня интенсивность освещенности одного фотоэлемента увеличивается, а другого — уменьшается; фототоки обоих фото­ элементов подаются на сетки двух электронных ламп, включенных в плечи моста. Разбалансный ток моста создает на сопротивлении

109

падение напряжения, которое измеряется первичным прибором — милливольтметром или потенциометром. Шкала первичного при­ бора градуируется в единицах высоты уровня. Основная абсолют­ ная погрешность такого уровнемера без учета погрешностей элек­ тронной части не превышает ± 1 см изменения уровня.

•Фотоэлектрические уровнемеры для измерения уровня сыпу­ чих тел отличаются от вышеописанного тем, что являются дис­ кретными, т. е. состоят из ряда расположенных по высоте незави­ симых один от другого фотоэлементов, каждый из которых связан

вания, разделяются на стационарные, в которых непрерывное опре­ деление высоты уровня осуществляется посредством измерения интенсивности излучения, прошедшего через обе среды, при непод­ вижном первичном измерительном преобразователе, и следящие, в которых контролируемый объект просвечивается в горизонталь­ ной плоскости, а первичный измерительный преобразователь пере­ мещается синхронно с уровнем. В первичных измерительных преоб­ разователях в качестве излучателей применяются изотопы с гаммаизлучением, а в качестве приемников излучения — газоразрядные счетчики.

10

Радиоизотопные уровнемеры, основанные на методе отражения,

изготовляются, например, в виде нейтронных уровнемеров, у кото­ рых источником быстрых нейтронов служит полоний-бериллиевый излучатель, а приемником излучения — пропорциональный борный счетчик. Такие уровнемеры также являются следящими, т. е. не­ прерывное измерение высоты уровня производится посредством перемещения первичного измерительного преобразователя (источ­ ника и приемника излучения) по вертикали синхронно с переме­ щением уровня.

Необходимая активность источника излучения ядерного уров­ немера определяется расстоянием между источником и приемни­ ком излучения, плотностью среды и толщиной просвечиваемых сте­ нок контролируемого объекта.

Ядерные уровнемеры нуждаются в радиационной защите. Пред­ приятие, использующее радиоактивные изотопы, обязано получить разрешение своей территориальной санинспекции и стать на соот­ ветствующий учет. Основная приведенная погрешность измерения уровня ядерными уровнемерами не превышает +0,5%.

Весовые уровнемеры. Т е н з о м е т р и ч е с к и е у р о в н е м е р ы основаны на измерении электрического сопротивления тензопреобразователей при их деформации. Тензопреобразователи наклеива­ ются на опоры контролируемого объекта и воспринимают дефор­ мацию опор под воздействием веса жидкой или сыпучей среды, за­ полняющей контролируемый объект. Вследствие недостаточной точности измерения и большой сложности измерительной аппара­ туры тензометрические уровнемеры не получили применения для автоматических измерений.

Область и особенности применения уровнемеров в целлюлознобумажной промышленности. Почти на всех стадиях производства целлюлозы, бумаги или картона приходится пользоваться баками, сборниками, бассейнами и другими емкостями, объемы которых за­ частую превышают сотни кубических метров. Во всех этих емкостях приходится измерять или регулировать уровень с целью стабили­ зации технологического режима и обеспечения надежной работы оборудования.

Часть этих емкостей открыта сверху и находится под атмосфер­ ным давлением, а другая часть работает под избыточным давле­ нием, что затрудняет измерение уровня в емкостях и ограничивает число методов измерения. Измерение и регулирование уровня поз­ воляет принимать меньший объем емкостей для хранения, сводит к минимуму объемы промежуточных емкостей и способствует пра­ вильному ведению технологических процессов.

Поплавковые уровнемеры в целлюлозно-бумажной промышлен­ ности находят ограниченное применение. Они используются при измерении уровня однородных невязких жидкостей в открытых ба­ ках, например баках свежей или оборотной воды. Их отличают простота конструкции и высокая точность.

Наиболее широко в целлюлозно-бумажной промышленности ис­ пользуются барботажные уровнемеры с пьезометрической трубкой.

111

Они надежно работают на вязких агрессивных жидкостях, т. е. в таких условиях, при которых большинство уровнемеров других типов работать не может. Иногда вместо сжатого воздуха в пьезо­ метрическую трубку подают воду под давлением, например при измерении и регулировании уровня в башне облагораживания отбельного отдела или при измерении уровня черного щелока в сульфатцеллюлозном производстве. В последнем случае устра­ няется влияние на показания уровнемера вспенивания щелока, ко­ торое возникает при продувании пьезометрической трубки воз­ духом.

Уровнемерными стеклами пользуются только при достаточной текучести и прозрачности жидкости. Эти стекла совершенно непри­ менимы для измерения уровня щелоков, древесной массы и дру­ гих подобных жидких веществ, но с успехом могут быть исполь­ зованы для местного визуального контроля за уровнем свежей воды в баках. Они широко используются для измерения уровня воды в барабанах паровых котлов.

Буйковые уровнемеры используются для измерения уровня однородных жидкостей или сжиженных газов при наличии избы­ точного давления в объекте контроля. Наличие пневматической дистанционной передачи делает их удобными для централизации управления производством.

Дифманометрические уровнемеры применяются для измерения уровня в широком интервале давлений и температур агрессивных вязких жидкостей. Однако их применение затрудняется необходи­ мостью надежной защиты первичного измерительного преобразо­ вателя от воздействия агрессивной среды — варочной кислоты, щелоков и т. п. В качестве разделительного устройства иногда при­ меняют резиновые баллоны из тонкой резины, внутри которых находится передаточная жидкость (вода), а снаружи действует давление агрессивной среды.

Ультразвуковые уровнемеры, несмотря на высокую надежность вследствие отсутствия движущихся частей, из-за сложности элек­ трической схемы и значительной стоимости не применяются в цел­ люлозно-бумажной промышленности. По тем же или иным причи­ нам не получили большого распространения емкостные и ядерные уровнемеры.

Область и особенности применения уровнемеров в лесохимичес­ кой и гидролизной промышлённости. Устройства для измерения или регулирования высоты уровня жидких или сыпучих веществ ши­ роко применяются в лесохимическом и гидролизном производ­ ствах.

В канифольно-терпентинном производстве в баках перед живи­ цемялкой измеряется и регулируется высота уровнейскипидара и разбавленной ортофосфорной кислоты, в отстойнике — высота уровня эмульсии расплавленной живицы, а в других различных ба­ ках и флорентине — высота уровня скипидара и т. д.

В канифольно-экстракционном производстве в сборниках лег­ кой и тяжелой фракций бензина поплавковыми уровнемерами

112

в сборнике бутанольной воды, в сборнике для мисцеллы, в сбор­ нике конденсата и т. д.

При пирогенетической переработке древесины радиоизотопными уровнемерами измеряется высота уровня загруженной в сушилку древесины, а буйковыми уровнемерами — высота уровней в сбор­ нике оборотной воды, в сборнике солярового масла и т. д.

В производстве кормовых дрожжей барботажными уровнеме­ рами с пьезометрической трубкой измеряется высота уровня фур­ фуролсодержащего конденсата, высота уровня в баке оборотной воды и т. д.

Все, что было отмечено в отношении особенностей применения уровнемеров в целлюлозно-бумажной промышленности, относится

ик лесохимической и гидролизной промышленности. Однако выбор

иприменение уровнемеров в лесохимической и гидролизной про­ мышленности усложняется взрывоопасностью производств, вслед­ ствие чего в этих условиях применяются исключительно уровне­ меры пневматического действия.

Область и особенности применения уровнемеров в производстве

древесных пластиков и плит. Область применения уровнемеров в производстве древесных пластиков и плит очень обширна. На­ пример, в производстве древесноволокнистых плит мокрым спосо­ бом измеряется и регулируется высота уровня массы в напорном (напускном) ящике, высота уровня в аккумуляторе перегретой воды, а также высота уровня в баках свежей и оборотной воды

ит. д.

Впроизводстве древесностружечных плит радиоизотопными уровнемерами измеряется высота уровня стружки в бункере перед смешением ее со связующим и т. д.

Особенности применения уровнемеров в производстве древес­

ных пластиков и плит такие же, как и в целлюлозно-бумажном, лесохимическом и гидролизном производствах.

8 Зак. № 602

Р А З Д Е Л HI

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Контролируемые и регулируемые величины. Технологические процессы характеризуются совокупностью определяющих их физи­ ческих величин. Некоторые из этих величин могут быть приняты на определенном и заранее оговоренном участке времени не за­ висящими от различных переменных величин. Такие постоянные величины, характеризующие производственные процессы, называ­ ются параметрами объектов. Параметры задают при конструиро­ вании и техническом расчете объекта. В производственных усло­ виях расчетное значение параметра, например температуры, давления, уровня, влажности, очень часто не выдерживается и за­ данное значение параметра приходится искусственно поддержи­ вать — регулировать.

Задачей регулирования является поддержание температуры, давления, уровня, влажности или других физических величин на определенном заданном значении, определяющем собой нормаль­ ное протекание регулируемого процесса.

Регулирование бывает н е а в т о м а т и ч е с к о е , когда все не­ обходимые действия выполняются человеком, и а в т о м а т и ч е с - к о е, при котором регулирование протекает без непосредственного участия человека и выполняется автоматическими регуляторами. В последнем случае регулятор автоматически реагирует на откло­ нение регулируемого параметра и изменяет приток энергии или вещества в объект регулирования с тем, чтобы поддержать пара­ метр на заданном значении.

Объектом регулирования является производственный аппарат или другое устройство, в котором автоматический регулятор уста­ навливает заданное значение величины, являющейся регулируемым параметром.

114

Процессы регулирования можно разделить на простые и слож­

т у р н ы е . Первые характеризуются тем, что регулированию в объ­ екте подлежит лишь один параметр; для вторых характерно под­ держание в объекте на заданных значениях нескольких регулируе­ мых параметров. Сложность процессов или систем обусловливается в основном взаимовлиянием контуров регулирования, когда регули­ рующее воздействие, осуществленное в одном из контуров, сказы­ вается на состоянии параметров в других контурах.

Примерами о д н о к о н т у р н ы х с и с т е м р е г у л и р о в а н и я могут служить следующие: а) в целлюлозно-бумажной промыш­ ленности — поддержание определенного уровня в мешальных бас­ сейнах, баках оборотной воды, вакуум-фильтрах и т. д.; подогре­ вание серы в плавильном баке до определенной температуры; под­

рах в канифольно-терпентинном производстве; поддержание по­ стоянной температуры в трубчатом испарителе установки для пе­ реработки мисцеллы в канифольно-экстракционном производстве; поддержание температуры в кубе-этерификаторе в этилацетатном производстве и т. д.; в) в гидролизной промышленности — поддер­ жание температуры упаривания дрожжевой суспензии; поддержа­ ние заданной скорости изменения уровня серной кислоты в мер­ нике узла подачи кислоты в гидролизаппарат; поддержание уровня гидролизата в испарителях; поддержание pH нейтрализации и т. д.; г) в производстве древесностружечных и древесноволокнис­ тых плит — регулирование температуры подогревания жидкости в трубчатых теплообменниках; регулирование температуры в по­ догревателях воды (аккумуляторах); регулирование давления прес­

сования и т. д.

Примерами м н о г о к о н т у р н ы х с и с т е м а в т о м а т и ч е с ­ к о г о р е г у л и р о в а н и я могут служить следующие: а) в цел­ люлозно-бумажном производстве — комплексное регулирование технологического процесса варки сульфатной целлюлозы в верти­ кальных варочных аппаратах; комплексное регулирование техно­ логического процесса варки полуцеллюлозы в горизонтальных ва­ рочных аппаратах; поддержание на заданных значениях массы квадратного метра и влажности бумажного полотна и т. д.; б) в ле­ сохимической промышленности — комплексное регулирование тех­ нологического процесса уваривания канифоли в змеевиковой ко­ лонне канифольно-экстракционного производства; регулирование технологического процесса отгонки скипидара от живицы и увари­ вания канифоли в канифолеуваривательных колоннах канифольно­ терпентинного производства; регулирование процесса ректификации в этилацетатном или бутилацетатном производствах; регулирование технологического процесса пиролиза древесины в вертикальной циркуляционной реторте и т. д.; в) в гидролизной промышленно-

сти — регулирование процесса сушки дрожжей в распылительных сушилках; регулирование технологического процесса выращивания дрожжей в дрожжерастильных чанах; регулирование технологи­ ческого процесса очистки фурфурола от головных фракций в очист­ ной фурфурольной колонне и т. д.; г) в производстве древесностру­ жечных и древесноволокнистых плит — регулирование процесса прессования плит; регулирование технологического процесса тер­ мовлагообработки плит; регулирование технологического процесса формирования древесностружечного полотна и т. д.

Системы автоматического регулирования разделяются на замк­ нутые, работающие по принципу измерения отклонения регулируе­ мой физической величины от заданного значения, разомкнутые, работающие по принципу измерения возмущения, действующего па объект регулирования, или по заранее рассчитанной-программе управления, и комбинированные, работающие по принципу, объе­ диняющему два первых, т. е. являющиеся одновременно замкну­ тыми и разомкнутыми.

В зависимости от закона изменения задающего воздействия или закона изменения установившегося заданного значения регу­ лируемой величины системы автоматического регулирования разде­ ляются на следующие группы: а) стабилизирующие — системы с постоянным или мало изменяющимся заданным значением регу­ лируемой величины; б) программные — системы, у которых задан­ ное значение регулируемой величины изменяется во времени по заранее известному закону (программе); в) следящие — системы, у которых закон изменения заданного значения регулируемой вели­ чины заранее не известен и определяется какой-либо другой вели­ чиной, произвольно изменяющейся во времени; г) оптимизирую­ щие — системы, у которых значение регулируемой величины задается и поддерживается самим регулятором на оптимальном значении (в том числе максимально или минимально возможном при данных внешних условиях); частным случаем последних являются экстре­ мальные системы автоматического регулирования.

В качестве регулируемого параметра выбирается любая физи­ ческая величина, определяющая оптимальное протекание техноло­ гического процесса. В зависимости от технических возможностей измерительной аппаратуры контроль за значением регулируемого параметра осуществляется либо измерением самой регулируемой величины, либо измерением другой физической величины, характе­ ризующей регулируемый параметр. Например, при регулировании состава башенной кислоты в целлюлозном производстве можно контролировать и поддерживать либо плотность раствора, либо его электропроводность. Несмотря на физическое различие этих пара­ метров, в обоих случаях достигается один и тот же результат, т. е. устанавливается определенная концентрация башенной кислоты. Однако сложность измерения плотности кислоты заставляет отдать предпочтение регулированию состава кислоты (концентрации) по ее электропроводности. И в этом случае есть определенные трудности в осуществлении конструкции первичного измерительного преобразо-

116