4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

уровнемерам, в которых источник радиоимпульса или акустического импульса расположен над поверхностью жидкости, имеет следующий вид:

Н=L–H1;

H1=с∙Tn/2; H=L–с·Tn/2.

Интервал времени между импульсами Тn однозначно определяет значение уровня Н в аппарате. с – скорость распространения радиоволн в газе. L– длина волновода до крепежного фланца.

Отличие волнового радарного уровнемера заключается в том, что радиоимпульс S передается от передатчика 2 в волновод 4, который в простейшем случае может представлять собой коаксиальный кабель, подобный телевизионному. Волновод помещен в уровнемерную колонку 1 ректификационной колонны. Крепёжный фланец уровнемера закреплен на крышке 7 колонки. От передатчика 2 высокочастотные электромагнитные импульсы низкой энергии, порожденные электрической схемой датчика, распространяются вдоль волновода 4, погруженного в измеряемую жидкую среду. Когда эти импульсы достигают поверхности измеряемой среды 6, часть энергии импульса E отражается и передается обратно вверх по волноводу 4, а электрическая схема вычисляет уровень на основе разницы во времени между моментами отправки и получения сигнала. Для того чтобы можно было сделать выводы об уровне среды 5 в колонке 1, волновод 4 доходит до дна колонки 1.

При измерении уровня посредством направленных высокочастотных измерительных сигналов используется физическое обстоятельство, что определенная доля Е направленного на волновод 4 высокочастотного измерительного сигнала S попадает на поверхность раздела двух сред с разными значениями диэлектрической проницаемости. Отраженная доля Е при этом тем выше, чем сильнее разнятся значения диэлектрической проницаемости обеих

141

сред. В этой связи говорят также о скачке импеданса. Скачок импеданса происходит в данном случае тогда, когда измерительный сигнал S попадает на поверхность 6 среды 5. Отраженная доля Е измерительного сигнала проявляется на эхо-кривой как выраженный пик или так называемый полезный эхо-сигнал. Сама эхо-кривая представляем амплитуды измерительного сигнала в зависимости от времени прохождения или от пройденного пути. Блок 3 регулирования/обработки определяет время прохождения этого полезного эхосигнала и вычисляет на этой основе при известной высоте колонки 1 уровень среды 5 в нём.

Блок 3 содержит генератор, передатчик, приемник и усилитель радиосигнала, а также усилитель интервалов времени. Для регулирования заданного диапазона измеряемой величины блок 3 регулирования/обработки преобразует интервалы времени прохождения между посылкой и приемом первого и второго импульса (эхо-сигнала) в аналоговый выходной сигнал, изменяющийся в пределах 4 … 20 мА. Далее аналоговый сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь, который преобразует его в цифровой сигнал, где он в дискретизированном виде передаётся на контроллер.

Преимущества:

возможно измерение уровня жидкостей, шлама и сыпучих материалов;

отсутствие необходимости корректировки настроек при изменении плотности, диэлектрической постоянной или электропроводности жидкости;

изменения давления, температуры и состояния парогазового пространства над жидкостью практически не влияют на погрешность измерения; не имеют подвижных частей, что сводит к минимуму потребность в

техническом обслуживании;

монтаж возможен даже при наличии продукта в резервуаре.

Недостатки:

сложный выбор зонда, который производится исходя из условий технологического процесса, требуемой длины и ограничений по монтажу;

зонды не должны соприкасаться с металлическими объектами (кроме коаксиальных зондов), так как это влияет на измерительный сигнал;

сложность использовать датчик в камерах с диаметром до 75 мм изза того, что в них сложнее избежать контакта зонда и стенок камеры.

2.13.11 Оптические уровнемеры

При измерении уровня жидкостей оптическими методами могут быть использованы различные явления, связанные с прохождением света через среды, образующие поверхность раздела, – отражение или преломление света на поверхности раздела, ослабление его интенсивности в поглощающей среде и др. Однако на практике наибольшее распространение получили оптические уровнемеры с визуальной фиксацией границы раздела жидкость–газ и фотоэлектрические уровнемеры, использующие эффект отражения света от поверхности жидкости.

142

Принципиальная схема фотометрического уровнемера отражения приведена на рисунке 2.78. Световой луч от лампы Л проходит через конденсаторную линзу К и через окно вводится в сосуд. Падая под углом на поверхность жидкости, свет отражается от нее и попадает через оптически прозрачную стенку на протяженный приемник излучения П. Координата приемника у, в которой фиксируется максимальная освещенность, характеризует текущее значение уровня.

Аналогичным образом может быть построен и фотоэлектрический уровнемер преломления.

Преимущества:

подходят для контроля уровня агрессивных жидкостей.

Недостатки

зависимость от физических свойств жидкости;

низкая чувствительность;

узкий диапазон области применения; сложная конструктивная схема.

2.14Датчики давления

2.14.1Общие положения

Датчик давления (манометры) – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газа, пара).

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент – приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений,

143

динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие. Выбор типа датчика зависит от величины измеряемого давления, заданной точности и условий эксплуатации датчика.

Существуют три типа измеряемого давления:

–абсолютное давление – атмосферное давление плюс избыточное давление;

–избыточное давление – абсолютное давление минус атмосферное давление;

–дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками. Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где

жидкость заключена в небольшой отсек, по меньшей мере, с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков.

2.14.2 Трубки Бурдона

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет – от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно– и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений

144

приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления – 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Преимущества:

портативность;

низкие эксплуатационные расходы.

Недостатки:

применимы только для статических измерений; низкая точность.

2.14.3 Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим/выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, меньше 200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

Преимущества:

может быть использован на низких давлениях.

Недостатки:

может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.

Мембраны (диафрагмы)

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например – пружина). Мембраны изготовленные из металлических дисков используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной, изготовленной из металла, можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной, использующей упругий тип материала, можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа

– 2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип). Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать

145

первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Мембраны очень универсальны – они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

Преимущества:

быстрое время отклика;

высокая точность;

хорошая линейность;

высокая коррозийная стойкость.

Недостатки:

высокая стоимость.

Примеры упругих элементов датчиков давления приведены на рисунке 2.79.

2.14.4 Емкостные датчики

Емкостной датчик (рисунок 2.80) состоит из параллельных пластин – конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил, участвующих в процессе с одной стороны, и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин– конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па – 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.

Преимущества:

используются для измерения низких давлений и вакуума;

высокая стабильность характеристик;

возможность измерять низкий вакуум;

стойкость к перегрузкам;

простота конструкции.

Недостатки:

емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.

высокие требования к экранировке деталей;

нелинейная зависимость емкости от приложенного давления;

необходимость работы на высоких частотах; требуют наличия внешнего источника переменного тока.

146

2.14.5 Индуктивный датчик давления

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру, то такое же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления.

На рисунке 2.81 показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р1 подающегося и катушку, заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.

Рисунок 2.81 – Индуктивный датчик давления

Такие датчики могут быть использованы с любым упругим элементом (хотя, как правило, используются в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона). Чтение значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик, определяется относительно упругого элемента, но лежит в диапазоне от 250 Па – 70 МПа.

Преимущества:

высокая чувствительность;

возможность измерять дифференциальные давления;

незначительное влияние температуры на точность измерения.

Недостатки:

ограничены упругими элементами; сильное влияние магнитного поля;

148

чувствительность к вибрациям и ударам; более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.

2.14.6 Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления

Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления, также имеют ферромагнитный сердечник (см. рисунок 2.82). При изменении давления, гибкий элемент перемещает ферромагнитную пластину, что приводит к изменению магнитного потока цепи, которое может быть измерено. Ситуации,

вкоторых можно было бы использовать электрический элемент – это ситуация,

вкоторой индуктивный датчик не генерирует достаточно точное измерение. Диапазон давления для данного метода составляет от 250 Па до 70 МПа с чувствительностью 0,35 МПа.

Мембрана

Ш-образный магнитопровод

Катушка Катушка

Рисунок 2.82 – Датчика давления на основе измерения магнетосопротивления

Преимущества:

высокая чувствительность.

Недостатки:

требуют наличия внешнего источника переменного тока.

2.14.7 Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используют датчик – кристалл. Когда давление прикладывается к кристаллу, он деформируется и создается небольшой электрический заряд (рисунок 2.83). Измерение электрического заряда пропорционально изменению давления. Этот тип датчика имеет очень быстрое время отклика на постоянные изменения давления. Подобно датчику давления

пьезоэлектрический элемент очень чувствителен, но реагирует гораздо быстрее. Таким образом, если время имеет существенное значение, пьезоэлектрический датчик будет приоритетный к использованию. Диапазон давления датчиков такого типа составляет 0,021 – 100 МПа с чувствительностью 0,1 МПа.

Рисунок 2.83 – Пьезоэлектрический датчик давления

Преимущества:

очень быстрое время отклика;

высокая стабильность характеристик;

устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям;

низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты;

возможность измерять давление различных агрессивных средств;

высокая чувствительность.

Недостатки:

требуют наличия внешнего источника переменного тока;

ограничение по температуре (до 150 0C); малое сопротивление на выводах.

2.14.8 Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики имеют рычаг, механически прикрепленный к упругому датчику давления (см. рисунок 2.84). При изменении давления, деформируется упругий элемент, в результате чего заставляет рычаг двигаться вперед или назад по потенциометру и таким образом снимаются показания сопротивления. Эти чувствительные элементы принадлежат оптимальному рабочему диапазону, но ограничены многими факторами. Таким образом, они являются датчиками нижнего уровня, которые не используются слишком часто. Диапазон давления 0,035 – 70 МПа с чувствительностью 0,07 –0,35 МПа.

150