книги / Теплотехнические измерения и приборы

19-6. Акустические и ультразвуковые уровнемеры

Общие сведения. В акустических и ультразвуковых уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отраже­ ния ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с раз­ личными акустическими сопротивлениями.

Вуровнемерах, называемых акустическими, используется метод локаций уровня жидкости через газовую среду. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня жидкости, распространяется по газовой среде. Это обеспечивает универсальность по отношению к различ­ ным жидкостям, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежность первичных преобразователей, не контактирую­ щих с жидкостью.

Вуровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод, основанный на отражении ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости.

Взависимости от используемого параметра звуковой волны для измерения уровня жидкости различают частотный, фазовый и им­ пульсный способы измерения уровня, а также некоторые их комби­ нации, такие, как импульсно-частотный, и др. Каждый из указан­ ных способов, обладая общим для акустического (ультразвукового) метода измерения достоинствами, имеет свои преимущества и недо­ статки.

Акустические уровнемеры широко применяют для дистанцион­ ного измерения уровня жидкостей в различных объектах в химиче­ ской, бумажной, пищевой и других отраслях промышленности. Уровнемеры этого типа могут быть использованы для измерения уровня различных жидкостей (однородных и неоднородных, вяз­ ких, агрессивных, кристаллизующихся, выпадающих в осадок), находящихся под давлением до 40 кгс/см2(4 МПа) и имеющих тем­ пературу от 5 до 80° С. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением. Если жид­ кость, уровень которой необходимо измерять, будет находиться под вакуумметрическим давлением до 0,5 кгс/см2 (0,05 МПа), то акустические уровнемеры могут быть использованы.

Ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для из­ мерения уровня только однородных жидкостей и широкого рас­ пространения в промышленности не получили. Однако ультразву­ ковые уровнемеры позволяют измерять уровень однородных жид­ костей, находящихся под высоким избыточным давлением.

Акустический уровнемер ЭХО-1. Уровнемер ЭХО-1, разработан­ ный НИИтеплоприбором, предназначен для измерения уровня различных жидкостей на основе метода акустической импульсной лакации границы раздела сред со стороны газа [83]. Мерой уровня жидкости является время распространения ультразвуковых ко­ лебаний t от источника излучения (акустического преобразова­

теля) до плоскости границы раздела сред и обратно до прием­ ника.

Схема акустического уровнемера ЭХО-1 представлена на рис. 19-6-1. В соответствии с принятыми на этой схеме обозначениями время распространения ультразвуковых колебаний t определяется выражением

где Я — А— высота газового столба; Я — расстояние от источника излучения до нулевого уровня; А — высота уровня жидкости;

а— скорость распространения звука в газовой среде.

Вакустическом уровнемере ЭХО-1 генератор 9 вырабатывает

электрические импульсы с определенной частотой повторения, пре-

Рис. 19-6-1. Схема акустического уровнемера ЭХО-1.

образуемые в ультразвуковые при помощи акустического преобра­ зователя 1 , установленного на крышке резервуара. Распростра­ няясь вдоль акустического тракта, ультразвуковые импульсы отра­ жаются от плоскости границы раздела сред и попадают на тот же преобразователь 1. Отраженные ультразвуковые импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются, форми­ руются усилителем-формирователем 2 и подаются на устройство измерения времени запаздывания отраженного сигнала — триг­ гер 3.

Формирование унифицированного выходного сигнала постоян­ ного тока 0— 5 мА осуществляется при помощи компенсационного преобразователя, основанного на принципе статического регуля­ тора, в состав которого входит устройство сравнения 4, усили- тельно-преобразующее устройство и элемент обратной связи — блок преобразования напряжения во временной интервал 6.

Формирование выходного сигнала осуществляется путем авто­ матического слежения блоком 6 за длительностью импульсов с триг­ гера. Прямоугольные импульсы с триггера и из цепи обратной связи компенсационного преобразователя (блока 6) подаются на

устройство сравнения 4. Если длительность импульса с триггера больше (или меньше) импульса из цепи обратной связи, то на вы­ ходе блока 4 появляется сигнал небаланса, который при помощи усилительно-преобразующего устройства 5 повышает (или умень­ шает) значение выходного сигнала. Это происходит до тех пор, пока сигнал небаланса не уменьшится до нуля. Слежение происхо­ дит именно за длительностью импульсов, поэтому амплитуда и ча­ стота повторения их не влияют на значение выходного сигнала. На показаниях уровнемера не сказывается также изменение в ши­ роком диапазоне нагрузки преобразователя.

Для уменьшения влияния изменения температуры газа на пока­ зания прибора (скорость распространения звука в газовой среде зависит от температуры) уровнемер содержит блок температурной компенсации 10, который включает в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.

В схеме уровнемера предусмотрено помехозащитное устройство 7, исключающее влияние на показания прибора различного рода по­ мех на входе усилителя 2.

Для проверки работоспособности электрической схемы уровне­ мера используется блок контроля 8. Основные функциональные узлы электрической схемы прибора выполнены на основе унифици­ рованных интегральных схем.

Акустический уровнемер ЭХО-1, изготовляемый серийно заво­ дом «Теплоприбор» (Рязань), выпускается на диапазоны измерения О— 1, 0— 2, 0— 3 м. Класс точности уровнемера — 2,5.

Ультразвуковой уровнемер. В рассматриваемом ультразвуковом уровнемере используется импульсный способ измерения уровня по отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости h в этом случае является также время прохождения ультразвуковых колебаний t от пьезо­ метрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела сред (жидкость — газ) и обратно до приемника. Время прохождения ультразвуковых колебаний t определяется выраже­ нием

где а — скорость распространения звука в жидкости.

Пауза t„ между двумя последовательными посылаемыми импуль­ сами определяется выражением

20А

а ’

Схема ультразвукового уровнемера приведена на рис. 19-6-2. Уровнемер состоит из пьезометрического преобразователя 1, элек­ тронного блока 7 и вторичного прибора 5. Электронный блок вклю­ чает в себя генератор 6, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства — усилителя 3 ; схемы измере-

ния времени 4. Генератор, задающий частоту повторения импуль­ сов, управляет работой генератора импульсов и схемой измерения времени. Генератор 2 вырабатывает электрические импульсы с оп­ ределенной частотой повторения, которые преобразуются в ультра­ звуковые при помощи пьезометрического преобразователя, уста­ новленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь

в жидкой среде, ультразвуковые

постоянное напряжение, которое поступает на вход вторичного прибора 5. В качестве вторичного прибора может быть использо­ ван автоматический потенциометр.

Предел допускаемой основной погрешности ультразвукового уровнемера не превышает 2,5% диапазона измерения уровня жид­ кости.

Г Л А В А Д В А Д Ц А Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ

20*1. Общие сведения

Измерение уровня сыпучих тел в бункерах и других устройствах значительно отличается от измерения уровня жидкостей, так как характер расположения материала в объекте не позволяет говорить о его уровне как о горизонтальной поверхности. Большое разнооб­ разие материалов, уровень которых необходимо измерять в энерге­ тике и промышленности, требует применения различных методов и конструкций уровнемеров.

На ТЭС уровнемеры необходимы для измерения уровня кускового (сырого) угля и угольной пыли в бункерах. В промышленности уровнемеры применяют для измерения уровня шихты, угля, по­ роды, различных порошкообразных материалов. При измерении уровня сыпучих тел, в частности твердого топлива, необходимо знать характер движения материала в объекте (бункере) и форму объекта. Выбирая технические средства для автоматического кон­ троля уровня, необходимо учитывать возможную взрывоопасность материала, уровень которого подлежит измерению.

Бункера для кускового и пылевидного топлива на ТЭС в боль­ шинстве случаев имеют форму усеченной пирамиды с направленной

вниз вершиной. Они выполняются из армированного бетона или стали. Такая форма бункера оказывает определенное влияние на характер движения топлива. При высоте бункера 8— 10 м слой топлива в нем подвергается достаточно большому горизонтальному сжатию, что вызывает заметное ухудшение его сыпучих свойств. В связи с этим в бункере любой емкости в зоне максимальных давлений возможно появление зависаний и сводообразования. Из-за возможности этих явлений на внутренней поверхности бункера (особенно в зоне максимальных давлений) не должно быть никаких выступов, которые могут искажать характер движения топлива.

Обычно в бункере топливо частично располагается на внутрен­ них стенках в виде слоев различной толщины. По мере срабатывания центральных слоев топлива уменьшается и толщина слоя на стен­ ках бункера. Вследствие этого реальная емкость бункера сокра­ щается на 20— 25% по сравнению с номинальной. Размер слоя топ­ лива на стенках зависит от угла наклона стенок бункера, влажности топлива и коэффициента внутреннего трения. Для устранения за­ висаний топлива в бункере применяют различные обрушивающие устройства.

В бункерах с кусковым топливом за уровень условно принима­ ется низшая точка воронки со стороны крышки бункера. Угольная пыль вследствие высокой текучести располагается в виде более или менее ровного горизонтального слоя, однако при потере уголь­ ной пылью текучих свойств и ее слеживании понижение уровня происходит с перекосами, сопровождается образованием воронок, «колодцев» и налипанием слоя пыли на стенках бункера.

Для автоматизации загрузки бункеров или других объектов необходимо как минимум обеспечить с помощью сигнализирующих уровнемеров автоматический контроль наличия материала в двух сечениях по высоте в нижней части каждого бункера — для полу­ чения сигнала на включение загрузочных устройств и в верхней части — для получения сигнала на отключение загрузочных уст­ ройств.

Для обеспечения большей надежности ведения технологиче­ ского процесса нередко возникает необходимость в непрерывном контроле уровня в бункерах или в других объектах. В этом случае для дистанционного измерения уровня сыпучих тел в технологиче­ ских объектах применяют уровнемеры, снабженные вторичными приборами, которые должны иметь контактное устройство для сиг­ нализации предельных значений уровня. Контактное устройство вторичных приборов можно использовать также и для автоматиза­ ции загрузки бункеров или других объектов.

Технические средства, предназначенные для измерения и сигна­ лизации уровня сыпучих тел, подразделяют на электромеханиче­ ские, электрические, электронные, пневматические, радиоактивные и весовые [75, 84, 85]. В настоящее время номенклатура серийно изготовляемых для применения на ТЭС сигнализаторов и измери­

телей уровня ограничена, некоторые типы из них внедрены в опыт­ ном порядке, но серийно их не выпускают. Уровнемеры радиоак­ тивные, пневматические и весовые на ТЭС распространения не получили.

20-2. Сигнализаторы уровня сыпучих тел

Для сигнализации предельных уровней сыпучих тел и автомати­ зации загрузки бункеров и других емкостей применяют различные типы сигнализирующих устройств.

В химической промышленности находят применение сигнализа­ торы уровня с чувствительными преобразовательными элементами, воспринимающими давление сы­ пучих тел, уровень которых кон­ тролируется [86]. К этой группе электромеханических устройств относятся сигнализаторы уровня мембранные и маятниковые. В пи­ щевой промышленности приме­ няются мембранные сигнализаторы уровня, выпускаемые серийно [75]

ииспользуемые в системах управ­ ления подачей муки, зерна и дру­ гих сыпучих материалов с целью предупреждения аварийного на­ копления материала в подводящих

иотводящих самотеках зерноперерабатывающнх машин.

Опыт эксплуатации на ТЭС мембранных сигнализаторов уров­ ня угольной пыли в бункерах по­

Рис. 20-2-1. Схема сигнализатора казал, что они не обеспечивают

уровня угольной пыли в бункере. надежный контроль уровня вслед­ ствие образования на стенках слоев пыли. По этой же причине нельзя рекомендовать для конт­

роля уровня угольной пыли сигнализаторы маятникового типа. На рис. 20-2-1 приведена принципиальная схема электронного сигнализатора уровня угля в бункерах, разработанного Уральским отделением ОРГРЭС [85]. На этой схеме приняты следующие обо­ значения: Т — триод полупроводниковый; Р П — обмотка электро­

реле Р П . Контакты цепей сигнализации и управления на схеме не показаны.

Резисторы R i и /?2 образуют делитель напряжения, подающий на базу триода постоянный потенциал, для стабилизации во вре­ мени нулевого тока коллектора. Резистор R a устанавливается при

больше максимального, то он закроется и через него будет прохо­ дить только ток утечки. Таким образом, когда цепь «электрод — земля» разомкнута (электрод Э1 не касается материала) и напря­ жение мало, диод (шунт ШСг) открыт и обмотки поляризованного реле РП замкнуты накоротко. При замыкании цепи электрода Э1 через слой материала в бункере на «землю» и появлении напряже­ ния больше максимального диод (шунт ШСг) закроется и обмотки поляризованного реле окажутся включенными в цепь. Значение

Рис. 20-2-2. Принципиальная электрическая схема сигнализатора уровня ИКС-2Н.

напряжения, которое закрывает диод (шунт Я/Сх), постоянно и устанавливается в зависимости от переходного сопротивления сыпучего материала, находящегося между электродом и заземлен­ ной частью бункера, переключателями Ях и Я2. Переключатель Пг позволяет изменять постоянное напряжение питания схемы. Его положение, так же как и переключателя Я 2, выбирают в зависимо­ сти от переходного сопротивления материала, уровень которого необходимо контролировать. Значения переходных сопротивлений, при которых можно применять сигнализатор, указаны на схеме для каждого переключателя.

При включении обмоток поляризованного реле в цепь оно срабатывает и замыкает контактами Ki цепь переменного тока для питания выпрямителя Я2, который питает постоянным на­ пряжением обмотку исполнительного реле МКУ> Это реле

срабатывает и замыкает свои Контакты, а нормально Замкнутое размыкает.

В случае использования двух электродов Э1 и Э 2 при заполне­ нии бункера материалом и повышения его уровня до электрода Э 2 сигнал в схему не поступает. Цепь электрода нижнего уровня Э 2 разомкнута контактами /С2исполнительного реле. При дальнейшем заполнении, когда уровень материала в бункере дойдет до соприкос­ новения с электродом Э1 и реле Р П сработает, одновременно с кон­ тактами K i замкнется цепь электрода Э 2 и контактами К 2 цепь исполнительного реле. При этом выдаваемый сигнал соответствует верхнему уровню. При понижении уровня материала в бункере этот сигнал будет снят лишь тогда, когда уровень материала не будет касаться электрода Э2. Таким образом, если при понижении уровня слой материала не пройдет сечения нижнего уровня и начнется заполнение бункера, то бункер может быть переполнен, так как сигнал о достижении верхнего уровня не поступит. Отсюда сле­ дует, что сигнализатор дает представление только об одной «растя­ нутой» позиции, не характеризующей положение уровня в ней. При применении сигнализатора уровня ИКС-2Н для контроля и автоматизации загрузки бункеров необходимо учитывать этот недостаток. Для предотвращения ложных срабатываний от утечек применено охранное кольцо О К, на которое подается положительный потенциал по отношению к электроду.

Сигнализатор выпускают в модификациях ИКС-2Н и ИКС-2. Сигнализатор ИКС-2Н выполнен в нормальном общепромышленном исполнении, а ИКС-2 — во взрывобезопасном исполнении.

Следует отметить, что для обеспечения надежного контроля и автоматизации загрузки бункеров углем и пылью на ТЭС должны быть созданы более совершенные сигнализаторы уровня.

20-3. Приборы для измерения уровня сыпучих тел

Для непрерывного дистанционного измерения уровня сыпучих тел применяют уровнемеры, снабженные вторичными приборами. Из числа рассмотренных выше приборов (гл. 19) для дистанционного измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью приме­ няют электронные емкостные индикаторы уровня ЭИУ-2. Для изме­ рения уровня сыпучих тел выпускают идругие типы емкостных уров­ немеров [75]. Отметим, что емкостные приборы на ТЭС не обеспе­ чивают необходимой надежности измерения уровня угля и пыли

вбункерах и распространения не получили.

Внекоторых отраслях промышленности, в частности химиче­ ской, находят применение весовые измерители уровня или массы сыпучего материала в бункере [86]. В качестве преобразователя

вэтих уровнемерах используется мессдоза, которая является опо­ рой одной из лап бункера. Мессдоза имеет стальной корпус с пор­ шнем, герметизированным металлической мембраной. Мессдоза, соединительная линия и внутренняя полость трубчатой пружины