книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

§ 6* Радиоактивные реле

Простые радиоактивные приборы с газоразрядными счетчи» нами типа реле широко применяются в промышленности для сиг­ нализации уровня различных веществ, положения частей меха­ низмов, счета изделий и в других случаях, когда прибор работает по принципу «да — нет». Чаще всего в таких приборах применяют у-излучение радиоактивного изотопа кобальта (Со60), в качестве регистратора у-излучения — галогенные самогасящиеся счетчики СТС, используемые в режиме среднего тока. Радиоактивные реле во многих случаях эксплуатации оказываются надежнее, чем такие простые приборы, как фотоэлектронные реле.

Имеется много схем и конструкций радиоактивных реле, раз­ работанных различными отраслевыми организациями для отдель«-

Рис. 218. Способы использования радиоактивного реле для контроля уровня.

1— радиоактивный источник; 2 — счетчик.

ных предприятий и отраслей промышленности. Ниже приводятся1 описания нескольких схем, которые могут быть использованы на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

Чаще всего радиоактивные реле (стационарные и переносные) применяют для сигнализации и позиционного регулирования уровня жидких и сыпучих веществ в технологических емкостях. Стационарные радиоактивные реле обычно используются по од­ ному из способов, изображенных на рис. 218.

На рис. 218, а показано расположение радиоактивного источ­ ника и счетчика вне емкости на контролируемом уровне. При достижении этого уровня жидкостью или сыпучим веществом число импульсов в счетчике резко уменьшается, что вызывает срабатывание реле и приводит в действие сигнальное устройство или исполнительный орган регулятора. Преимущество этого спо­ соба — расположение дополнительных устройств вне емкости. Недостаток этого способа в том, что при большом диаметре ем­ кости счетчик должен располагаться на значительном расстоянии от источника и у-лучи дважды пронизывают стенку емкости. Это во многих случаях вызывает необходимость применения мощных источников, что осложняет достижение безопасности. Приведен­ ный способ расположения источника и счетчика практически целесообразен при толщине стенки металлического резервуара

44*

не более 3—4 с.и. Иногда применяют заглубление источника в стенку резервуара.

На рис. 218, б изображено расположение источника и счет­ чика внутри емкости в специальных чехлах, изолирующих их от внутреннего пространства емкости. В этом случае не требуется особых мер по обеспечению безопасности, однако приходится вводить внутрь емкости дополнительные элементы. Способ очень удобен, когда конструкцией емкости предусматривается наличие в ней труб, пригодных для помещения источника и счетчика. Разумеется, возможен способ средний между первым и вторым: внутрь емкости вводится только источник.

На рис. 218, в источник рас­ положен на поплавке, который плавает на поверхности жидко­ сти, находящейся в емкости. По­ плавок имеет направляющие для вертикального перемещения. Счет­ чик расположен вне емкости на контролируемом уровне. Колли­ мационным устройством счетчика достигается резкое повышение числа импульсов при достижении жидкостью контролируемого уровня.

По любой из приведенных схем можно осуществить и много­ позиционную сигнализацию и ре­ гулирование. Для этого нужпо

установить столько счетчиков, сколько необходимо контролиро­ вать точек. Увеличение количества источников требуется пе всег­ да. При использовании нескольких источников для ослабления воздействия их на счетчики других сигнальных систем эти системы на емкости располагают в различных вертикальных плоскостях.

Переносные радиоактивные измерители уровня обычно при использовании располагают по схеме 218, в, т. е. в емкости раз­ мещают поплавок с источником, а индикатор со счетчиком вруч­ ную перемещают по вертикали в определенном месте до момента резкого возрастания числа импульсов в счетчике и срабатывания индикатора.

Радиоактивные реле могут быть использованы в качестве бес­ контактного счетчика оборотов (рис. 219) для измерения рас­ хода жидкостей и газов методом вертушки, для сигнализации и позпцпоппого регулирования при измерении температуры, плотности и других параметров. В этих случаях радиоактивное вещество наносится на стрелки измерительных приборов или верх­ ний конец ареометра, а счетчик помещают за экраном, в нужном месте которого прорезана узкая щель.

Электрическую схему радиоактивного реле можно условно разделить на две основные цепи — цепь газоразрядного счетчика

442

и цепь электронного или тиратронного реле, реагирующего на изменение величины среднего тока счетчика.

Цепь счетчика состоит из счетчика, добавочного сопротивления, интегрирующего контура и источника питания. Цепи различных схем радиоактивных реле отличаются главным образом способом питания счетчика. В тех случаях, когда от радиоактивного реле требуется получить наибольшие стабильность и чувствительность, счетчик питают постоянным стабилизированным напряжением, соответствующим по величине середине горизонтального участка (плато) характеристики счетчика. Стабилизация обычно осуще­ ствляется при помощи стабилитронов. В менее ответственных случаях питание счетчика не стабилизируют. Когда по характеру использования прибора величина среднего тока счетчика в мо­ мент срабатывания реле изменяется очень сильно, применяют питание счетчика пульсирующим и даже переменным напряже­ нием. При питании переменным синусоидальным напряжением эффективность галогенных счетчиков снижается примерно в 7— 8 раз по сравнению с эффективностью, получаемой при питании постоянным напряжением. В переносных радиоактивных реле счетчики часто питаются от батарей через вибропреобразователи или генераторы на полупроводниковых триодах, применяются также схемы удвоения напряжения.

Цепь реле состоит из электронной лампы или тиратропа, в анодную цепь которого включены электромагнитное реле или электромеханический счетчик и источник питания. В схемах реле используют электронные лампы разных типов, тиратроны с нака­ ливаемым катодом, тиратроны с холодным катодом и неоповые лампы. Анодные цепи электронных ламп реле питаются постоян­ ным напряжением и переменным. Чаще применяется последнее, так как при этом чувствительность реле падает незначительно, а упрощение схемы существенное. Тиратроны всегда питаются переменным напряжением, так как только в этом случае после срабатывания реле сохраняется управляемость тиратроном со стороны сетки пли управляющего электрода.

Особенный интерес для применения в схемах контроля и авто­ матизации представляют безнакальные радиоактивные реле, т. е. такие, в которых нет элементов с накаливаемым катодом — элек­ тронных ламп пли тиратронов с накаливаемым катодом. В этих реле используют тиратроны с холодным катодом или неоновые лампы. Безнакальные реле безотказны в работе, просты в обслу­ живании, имеют малые габаритные размеры и постоянно готовы к действию.

На рис. 220 показаны схемы радиоактивного реле на электрон­ ной лампе с питанием счетчика ГС и анода лампы Л постоянными напряжениями £/сч и Ua. Схемы отличаются друг от друга тем, что в одном случае увеличение среднего тока / сч счетчика «запи­ рает» лампу, а в другом — «отпирает». На схеме рис. 220, а при малой скорости счета потенциал сетки лампы в основном опреде­ ляется сеточными токами и близок к нулю. Анодный ток лампы про-

443

текает по обмотке электромагнитного реле Р, якорь которого при­ тянут и цепь сигнализации разомкнута. При резком увеличении скорости счета по сопротивлению интегрирующего контура R 2 , которое одновременно является сопротивлением утечки сетки лампы, потечет ток постоянной составляющей счетчика в напра­ влении, при котором на сетку лампы будет подаваться отрица­ тельный потенциал. Анодный ток лампы резко уменьшится, и якорь реле отпадет и замкнет цепь сигнализации. В этой схеме

Рис. 220. Схемы радиоактивного реле на элек­ тронной лампе с питаниемпостояннымнапряже­ нием.

а — излучение «запирает»; б — «отпирает».

Рис. 221. Схема радиоактивного реле на электронной лампе с питанием переменным напряжением.

сопротивление i?i является балластным, ограничивающим импуль­ сы тока в счетчике, а С— конденсатором интегрирующего контура.

В схеме рис. 220, б при малой скорости счета лампа «запи­ рается» посредством смещающего напряжения Uc, а при облучении счетчика она «отпирается», так как средний ток счетчика,-прохо­ дящий по сопротивлению i?2 , создает падение напряжения такого знака, при котором на сетку лампы подается положительный потен­ циал.

На рис. 221 приведены схемы, отличающиеся от соответствую­ щих схем рис. 220 только способом питания счетчика и лампы. В схемах рис. 221 они питаются переменными напряжениями от об­

444

мотки силового трансформатора Тр. В схеме рис. 221, а при на­ личии облучения счетчика лампа будет «заперта» вследствие про­ текания среднего тока счетчика / сч по сопротивлению Я. При отсутствии облучения счетчика потенциал сетки лампы будет бли­ зок к нулю и по обмотке реле будет протекать пульсирующий ток, вызывающий притяжение якоря реле. Для устранения дре­ безжания якоря реле параллельно его обмотке включен конден­ сатор С. Шунтирование обмотки реле конденсатором имеет и дру­ гую цель — устранить ложные срабатывания реле вследствие статистических флуктуаций количества импульсов в счетчике,

падение напряжения на R нейтрализовало запирающее действие на­ пряжения Uc. Как видно из схем рис. 221, при питании счетчика переменным напряжением направление тока в его цепи зависит от включения счетчика, т. е. счетчик способен выпрямлять ток.

В применяемых схемах редиоактивных реле чаще всего встре­ чается сочетание питания счетчика постоянным напряжением с питанием лампы переменным. Это сочетание целесообразно потому, что выпрямление напряжения для питания счетчика вследствие малой величины тока достигается применением ми­ нимального количества малогабаритных деталей, при этом выиг­ рыш в чувствительности значительный.

На рис. 222 приведена схема радиоактивного реле, применяе­ мая в радиоактивных терморегуляторах на базе магнитоэлектри­ ческих милливольтметров, разработанных Институтом физики АН Латвийской ССР. Здесь при возрастании среднего тока счет­ чика лампа «запирается». Лампа питается переменным напряже­ нием, а счетчик постоянным от выпрямителя, состоящего из мини­ атюрного селенового выпрямительного столбика В, рассчитанного

445

на выпрямленный ток до 1 ма, и конденсатора Сз (0,1 мкф). Харак­ терно, что в этой схеме для питания анода лампы и счетчика используются отдельные участки вторичной обмотки силового трансформатора в отличие от схем рис. 221, где обмотка, питаю­ щая анод лампы, является частью обмотки питания счетчика. Преимуществом разделения обмоток является отсутствие влияния изменения анодного тока лампы (при открывании и закрывании ее) на напряжение питания счетчика. В схемах рис. 221 это влия­ ние практического значения не имеет.

На рис. 223 приведена схема радиоактивного реле на тиратроне Ли Схемы с тиратроном имеют то преимущество, что параметры

Рис. 223. Схема радиоактивного реле на тира­ троне.

прибора не зависят от параметров электромагнитного реле Р, включенного в анод тиратрона, так как анодный ток возрастает резко от нуля до рабочей величины. Анодная цепь питается пере­ менным напряжением, что является обязательным, так как при пи­ тании постоянным напряжением тиратрон теряет управляемость по сетке после зажигания и погасить его можно только снятием анодного напряжения. Счетчик ГС в данной схеме питается вы­ прямленным и стабилизированным напряжением. Стабилизация постоянного напряжения осуществляется при помощи миниатюр­ ного стабилитрона Лг коронного разряда типа СГ-301С, рабочее напряжение которого равно 380—400 в. В данном случае возра­ стание среднего тока счетчика «отпирает» тиратрон. Для «запи­ рания» тиратрона при уменьшении облучения счетчика на сетку тиратрона подается отрицательное смещение от специального выпрямителя В, С, питаемого обмоткой накала. Для регулирова­ ния величины смещения служит переменное сопротивление В. При использовании реле в режиме «облучение закрывает» вы­ прямитель смещения может быть исключен, однако в этом случае его целесообразно использовать для регулировки момента сраба­

446

тывания реле. Эта схема имеет большую чувствительность, чем предыдущая, и может применяться тогда, когда уровень облучения счетчика в момент срабатывания изменяется всего в 2—3 раза. Питание схемы от феррорезонапсного стабилизатора значительно повышает ее работоспособность.

Безнакальные радиоактивные реле. Такие реле представляют большой интерес для использования в производственных схемах контроля п автоматизации, особенно когда прибор должен быть непрерывно в работоспособном состоянии, а срабатывать сравни­ тельно редко. В таком режиме используют большинство радиоак­

самогасящийся счетчик ГС, используемый в режиме среднего тока, питается от выпрямителя (В

типа АВС-1-100 и С). Управляющий электрод тиратрона МТХ-90,

в которую включена обмотка электромагнитного реле Р, питается переменным напряжением. Когда облучение счетчика отсутствует, и средний ток его ничтожен, в цепи управляющего электрода тиратрона действует лпшь падение напряжения на сопротивлении делителя Я а . Т ок управляющего электрода недостаточен для переброса разряда на анод, в цепи которого ток отсут­ ствует. При наличии облучения на сопротивлении интегрирующе­ го контура появляется падение напряжения, вызванное проте­ канием по контуру среднего тока счетчика. Это напряжение ока­ зывается включенным в цепь управляющего электрода последо* вателыю с напряжением, снимаемым с делителя. Ток управляю­ щего электрода возрастает, и происходит переброс разряда на основной анод, в цепи которого возникает пульсирующий ток. Якорь электромагнитного реле притягивается.

Питание управляющего электрода может быть осуществлено

447

Г л а в а XIV

О-НОВЫХ ПРИБОРАХ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

Ввопросах автоматизации производственных процессов нефте­ переработки и нефтехимии ясно определился курс на комплекс­ ную автоматизацию отдельных технологических установок и их групп. В связи с этим потребовались автоматические приборы для контроля отдельных параметров технологического процесса (температуры, давления, уровня, расхода и т. д.) и главным образом для непосредственного определения физико-химических свойств и качества конечного и промежуточных продуктов.

Ранее качество продукта контролировалось путем длительных лабораторных анализов, которые для автоматического регулиро= вания технологических процессов использованы быть не могли. Потребовалось создание приборов, способных контролировать

качество продуктов непосредственно в ходе процесса, в потоке, и воздействовать через регуляторы в нужном направлении на изме­ нение процесса. Для выполнения этой задачи предназначены следующие приборы: плотномеры, вискозиметры, автоматические титраторы, pH-метры, автоматы фракционной разгонки, хромато­ графы, масс-спектрометры, инфракрасные анализаторы, рефракто­ метры, анализаторы содержания солей и воды в нефти и многие другие.

Некоторые иэ этих приборов основываются на тех же мето­ диках, которые применяются для лабораторных анализов. Путем автоматизации операций, выполнявшихся ранее лаборантом, и введения объективных способов оценки результатов создаются средства контроля, позволяющие устранить непосредственное участие человека в процессе контроля, сократить время анализа, повысить точность его результатов и использовать эти результаты для регулирования. Однако во многих случаях такие приборы имеют циклический характер работы и обеспечивают выдачу результатов анализа и перестановку регулирующего органа лишь через некоторое время после забора пробы. Для применения совершенных систем регулирования желательно иметь приборы, обеспечивающие непрерывное измерение и малое запаздывание показаний. Для создания таких приборов во многих случаях

требуется использование совершенно новых принципов работы. Изыскание новых методов контроля и использование достижений ' современной науки — основная тенденция приборостроения

в области контроля качества.

Уже широко используются при разработке новых приборов радиоактивные изотопы, ультразвук, методы диэлектрической проницаемости, хроматографические методы анализа. В ближайшее время следует ожидать появления приборов, использующих явле­ ние магнитного резонанса. Особенно велики перспективы этих приборов в нефтехимическом производстве.

Создание приборов контроля качества в большинстве случаев находится еще в стадии испытания опытных образцов и партий, выбора наиболее рациональных конструкций и методов исполь­ зования. Выше подробно останавливались на некоторых приборах для физико-химических измерений (pH-метры, концентратомеры). Ниже будут коротко изложены некоторые вопросы, связанные с применением приборов, основанных на измерении диэлектри­ ческой проницаемости и применении хроматографических методов.

§ 1. Измерение влажности нефтепродуктов по методу диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует ее свой­ ство уменьшать напряженность электрического поля за счет поляризации диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость е (эпсилон) практически определяется как отношение емкости кон­ денсатора С, у которого пространство между обкладками запол­ нено данным веществом, к емкости того же конденсатора при нали­ чии между обкладками воздуха С0, т. е.

С

е = 7^ - Оо

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ суще­ ственно зависит от температуры, что приходится учитывать при измерениях.

Применение метода диэлектрической проницаемости удобно для измерения влажности нефтепродуктов и некоторых других органических жидкостей, так как е нефтепродуктов невелика и равна примерно 2, а е воды равна 80. Измерение диэлектрической проницаемости сводится к измерению емкости конденсаторадатчика, представляющего собой сосуд с обкладками (в лаборатор­ ных приборах) или систему электродов, встраиваемую в трубо­ провод (в производственных приборах). По изменению емкости такого датчика и судят об изменении содержания воды в нефте­ продукте, заполняющем датчик. Абсолютная величина емкости датчика не может быть большой и составляет обычно несколько десятков пикофарад. Для измерения емкости датчика, которое необходимо производить с большой точностью, обычно приме­ няют высокочастотные резонансные схемы. Рабочую частоту чаще

450