Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
Первичный преобразователь расхода может устанавливаться на
горизонтальном, вертикальном или наклонном трубопроводе при условии, что весь объём трубы преобразователя заполнен измеряемой
средой. Условный диаметр преобразователя должен быть равен диаметру трубопровода. Допускается установка преобразователя расхода
на трубопроводе с меньшим диаметром через конические патрубки,
при этом перед преобразователем должен быть прямолинейный участок тр
убы длиной не менее пяти, а после него длиной не менее трёх
диаметров.
4.5. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Ультразвуковые расходомеры отличаются быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью, большим диапазоном измерения.
Ультразвуковой расходомер УЗР-В предназначен для автоматического измерения объёмного количества и объёмного расхода жидкостей с коэффициентом затухания акустических волн на частоте 1 МГц
не более 7 дБ/м. Принцип действия прибора основан на изменении
скорости распространения ультразвукового сигнала в движуще
йся
среде в зависимости от значения составляющей скорости этой среды
в направлении распространения ультразвукового сигнала.
По выбору заказчика каждый расходомер может быть настроен на
один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю. Температура контролируемой жидкости от –60 до +120 °С, давление не более 6 МПа, скорость не менее 0,3 см/с. Расх
одомер имеет частотный выход и два выхода постоянного тока 0…5 мА. Погрешность измерения в режиме
измерения расхода по частотному выходу не более 0,5%, по токовому
выходу не более 1,0%, в режиме измерения количества – 0,3%.
В комплект расходомера входят измерительно-управляющий
прибор и два пьезодатчика. Первичным преобразователем ультразвукового расходомера являетс
я отрезок трубы, на котором под углом α
к её оси установлены два пьезоэлектрических датчика (рис. 4.12). При
сжатии и растяжении в определённых направлениях пьезоэлементов на
их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмётся в зависимости от того, на какой из
оверхностей будет больше напряжения. Это явление называется
этих п
обратным пьезоэффектом. Оно лежит в основе работы излучателей
ультразвуковых колебаний, преобразующих переменное электрическое
напряжение в механические колебания той же частоты. Приёмники,
101
преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и приёмным, с помощью высокочастотных кабелей они соединяются с измерительно-управляющим
прибором.
Основным функциональным узлом измерительно-управляющего
прибора 2 является субпанель измерения I, которая содержит два синхрокольца. Импульс с выхо
да формирователя запускающих импульсов 3
поступает на пьезоэлектрический первичный преобразователь 1, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит
через контролируемую среду и принимается пьезоэлектрическим датчиком 2 через время, зависящее от расстояния между датчиками L и
разности с – v
– проекция вектора скорости v контролируемой среды на направле-
v
1
, где с – скорость ультразвука в контролируемой среде;
1
ние распространения ультразвукового сигнала. Принятый ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь
запускающих импульсов 3, который вновь формирует импульс, поступающий на преобразователь 1. Процесс прохождения сигнала повторяется, благодаря чему возникает автоциркуляция импульсов в первом
(ведущем) синхрокольце.
Рис. 4.12. Структурная схема ультразвукового расходомера УЗР-8
102
Аналогично работает второе синхрокольцо. В этом случае импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 5 поступает
на пьезоэлектрический преобразователь 2, который излучает короткий
ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую
среду и принимается пьезодатчиком 1 через время, зависящее от расстояния между датчиками и суммы с + v
. Принятый пьезодатчиком 1
1
ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь запускающих импульсов 5, который вновь формирует
импульс, поступающий на пьезоэлектрический преобразователь 2.
В результате повторения процесса прохождения сигналов возникает
автоциркуляция импульсов во втором (ведомом) синхрокольце. Оба
синхрокольца одновременно работают в одном электроакустическом
канале. Отличие ведомого синхрокольца от ведущего сост
оит в том,
что в состав формирователя импульсов 5 входит схема контроля совпадения рабочих импульсов обоих синхроколец и восстановления работы ведомого синхрокольца со сдвигом на полпериода.
Работой синхроколец управляет блок 6, обеспечивающий необходимую их синхронизацию. С помощью системы автоподстройки блок 6
управляет работой генераторов импульсов 7 и 8. Импу
льсы с выходов
управляемых генераторов 7 и 8 связаны по частоте и фазе с импульсами ведущего и ведомого синхроколец, но частоты следования их выше
частот следования импульсов синхроколец в 200 раз. Последовательности импульсов от управляемых генераторов 7 и 8 поступают на смеситель 9, выделяющий разностную частоту, которая линейно зависит
орости жидкости u в трубопроводе и не зависит от скорости ульт-
от ск
развука в контролируемой среде, а значит, не зависит от изменения её
физических свойств.
Последовательность импульсов разностной частоты с выхода
смесителя 9 через масштабный преобразователь 10 подаётся на аналоговый преобразователь 12, который преобразует частоту в аналоговый
сигнал, поступающий на стрел
очный индикатор расхода 13.
6-разрядный электромеханический счётчик импульсов 11 позволяет
контролировать количество жидкости, прошедшей по трубопроводу.
В приборе имеется система встроенного контроля, обеспечивающая индикацию исправной работы, нарушения работы прибора и опорожнения трубопровода.
В месте установки расходомера должен быть прямой участок
трубы длиной не менее 5 диаметров до пер
вичного преобразователя и
не менее 3 диаметров после него.
103
5. ДАТЧИКИ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ
В данном разделе изложены основные принципы контроля и
автоматического управления уровнем жидких и сыпучих веществ,
описаны основные классы приборов, применяемых в промышленности
в цепях автоматического и полуавтоматического управления уровнем
жидких и сыпучих веществ, типовые конструкции датчиков и приборов контроля уровня, приведены примеры промышленных приборов
контроля уровня с техническими характеристиками. Указаны дост
ства и недостатки различных типовых схем контроля и автоматического управления уровнем жидких и сыпучих веществ.
Измерение уровня жидкости и сыпучих тел относится к числу
вспомогательных контрольных операций, позволяющих определять
количество жидкости или сыпучего материала в хранилище для учёта
продуктов и сигнализации о переполнении расходных баков и бункеров.
Приборы, предназначенные для этой це
ли, называются уровнемерами
широкого диапазона. Эти приборы имеют шкалу с нулем в начале и делениями, идущими от нуля в одну сторону. Единицы измерения – сантиметры, дециметры и метры.
Кроме того, измерение уровня необходимо для поддержания его
на заданной высоте. В этом случае приборы показывают величину отклонения ур
овня от нормального положения и называются уровнемерами узкого диапазона. Шкала прибора имеет нуль посередине и деление, идущее в обе стороны от нуля. Пределы измерений обычно составляют от ±100 до ±150 мм. Единицы измерения в узком диапазоне –
сантиметры и миллиметры.
Приборы и устройства для измерения уровня вещества можно
разделить на две категор
ии: для измерения уровня жидких и сыпучих
тел. Кроме того, устройства для измерения уровня жидкости, сыпучих
материалов и положения раздела фаз можно подразделить на следующие группы: а) визуальные; б) датчики с дистанционной передачей
данных; в) датчики-реле уровня.
5.1. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И ПОЛОЖЕНИЯ РАЗДЕЛА ФАЗ
5.1.1. ВИЗУАЛЬНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ
Простейшим измерителем уровня жидкости служат указатель-
ные стёкла (рис. 5.1). Работа указательных стёкол основана на прин-
ципе сообщающихся сосудов и прямого визуального наблюдения.
104
оин-
а) б) в)
Рис. 5.1. Указательные стёкла:
а – проходящего света; б – отраженного света;
в – несколько указательных стёкол на высоких резервуарах
Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для
открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным
давлением или разряжением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.
Указательные стёкла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. В армату
ру указательных стёкол
сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закрывающие каналы в головках при
случайной поломке стекла. Плоские указательные стёкла рассчитаны
на давление до 2,94 МПа и температуру до 300 °С. Указательные стёк-
ла не рекомендуются употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при
контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5
м, устанавливают
несколько стёкол (рис. 5.1, в) таким образом, чтобы верх предыдущего
стекла перекрывал низ последующего.
Часто используются конструкции, в которых информация
об уровне жидкости или сыпучего материала получается косвенным
путём, т.е. от чувствительного элемента информация через передаточный механизм поступает на измерительный прибор.
Гидростатические уровнемеры. К простейшим гидростатиче-
ским измер
ителям уровня жидкости относятся дифференциальные
манометры. Дифманометром можно измерять уровень в открытых и
закрытых сосудах, т.е. в сосудах, находящихся под давлением и разрежением. На рисунке 5.2 показана схема трубных соединений при измерении уровня в открытом резервуаре и установка дифманометра
ниже его дна.
При применении дифманометра для измерения уровня обязат
ельно устанавливают уравнительный сосуд, наполненный до определённого уровня той же жидкостью, что находится в резервуаре.
105
Назначение уравнительного
сосуда – обеспечение постоянного
столба жидкости в одном из колен
дифманометр. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра изменяется с изменением
уровня в резервуаре. Каждому
Рис. 5.2. Схема трубных соединений
с размещением дифманометра
ниже дна резервуара:
а – при измерении уровня жидкости
в открытом резервуаре; б – в резервуаре,
находящемся под давлением
значению уровня в резервуаре
соответствует определённый перепад давления, показываемый
дифманометром, что позволяет
судить о положении уровня.
При использовании дифманометра с пневматическим, токовым или индуктивным вы
ходным
сигналом можно получить уровнемер с дистанционной передачей данных и возможностью автоматического управления.
Пьезометрические уровне-
меры. Они основаны на принципе
Рис. 5.3. Схема пьезометрического
измерителя уровня
гидравлического затвора. Для
измерения уровня (рис. 5.3) используется воздух или инертный
газ под давлением, который продувают через слой жидкости. Количество продуваемого воздуха ограничивают ди
афрагмой или иным способом так, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Это приближает к нулю потери на трение в трубопроводе после диафрагмы D. Уровень жидкости определяется по установившемуся давлению (p – p
) в системе:
x
p – px = Hpж g,
откуда H = (p – p
)/pж g.
x
Давление определяется по высоте столба жидкости манометра
с замыкающейся жидкостью плотностью или иным любым способом.
Как и в гидростатических уровнемерах, возможно применение дифманометров с пневматическим, токовым или индуктивным сигналом.
Поплавковые и буйковые уровнемеры. Чувствительным элемен-
том уровнемера, изображённого на рис. 5.4, является поплавок 1, плавающий на поверхности жидкости. Поплавок уравновешивается гр
узом 2, который связан с поплавком гибким тросом 3. Положение груза
относительно шкалы определяет уровень жидкости.
106
Рис. 5.4. Поплавковый уровнемер
Рис. 5.5. Тонущий поплавок-буёк
Пределы измерения устанавливают в соответствии с принятыми
значениями верхнего 4 и нижнего 5 уровней. Недостаток поплавков –
возможность коррозии и протравления тонких стенок поплавка, приводящих к его потоплению. Это ограничивает область применения
поплавковых измерителей уровня (если поплавок сделан не из коррозионно-стойкого материала). Значительно более надёжны тонущие
поплавки – массивные буйки 1 (ри
с. 5.5). При изменении уровня
жидкости изменяется по закону Архимеда действующая на конец
рычага 2 сила (вес буйка) и соответственно изменяется момент сил,
действующих на рычаг. Изменяющийся при колебаниях уровня
момент сил от буйка 1 передаётся через вал 3 на весоизмерительное
устройство 4, а далее на вторичный прибор 5, отградуированный
в единицах у
ровня жидкости. Буйковые измерители уровня чаще всего
используются как устройства информации. Уровнемеры изготавливаются по ГОСТ 13702–78.
Поплавковые уровнемеры. Уровнемеры поплавковые с пружин-
ным уравновешиванием УДУ-10 предназначены для местного и дис-
танционного контроля уровня нефти и нефтепродуктов в различных
резервуарах, ёмкостях и технологических аппаратах. Принцип работы
уровнемера основан на с
ледящем действии поплавка, находящегося на
поверхности жидкости и перемещающегося вместе с уровнем жидкости (см. рис. 5.4). Конструкция, используемая в данном случае, отличается тем, что поплавок, подвешенный на перфорированной мерной
ленте, при изменении уровня жидкости скользит вдоль направляющих
струн. Мерная лента, натяжение которой обеспечивается специальным
механизмом, проходя через систему роликов и гидро
затвор, приводит
во вращение мерный шкив. Один оборот шкива соответствует изменению уровня на 500 мм. Вращение мерного шкива передаётся на местный показывающий прибор, который состоит из двухстрелочного указателя и оцифрованного диска.
107
Поплавковые уровнемеры классифицируются в зависимости от
типа резервуара, диапазона измерения и числа оборотов выходного
вала на 1 м уровня.
В качестве примера можно привести уровнемер УДУ-10, для которого предусмотрено применение двух типов поплавков: круглого,
полезной площадью 1050 см
и прямоугольного, полезной площадью 2070 см
2
(при диапазоне измерения от 0 до 12 м),
2
(при диапазоне изме-
рения от 0 до 20 м). Основная погрешность измерения при температуре 20 °С ±4 мм. Скорость изменения уровня не более 1 м/ч. Верхний
предел показаний: цифрового диска 24 м, малой стрелки 1000 мм,
большой стрелки 100 мм. Цена деления: цифрового диска 1 м, малой
круговой шкалы 100 мм, большой круговой шкалы 1 мм.
Для дистанционного контроля уровня у
ровнемер УДУ-10 используется в комплекте с потенциометрической приставкой УДУ-16 и пультом
контроля и сигнализации ПКС-2М. Принцип дистанционного замера основан на преобразовании потенциометрической приставкой угла поворота
вала мерного шкива в электрический сигнал. В приставке имеется электроконтактное устройство для сигнализации крайних положений уровня.
На пульте ПКС-2М размещены втори
чный прибор для отсчёта
уровня жидкости, лампочки сигнализации крайних значений уровня и
ключи, с помощью которых к одному пульту может быть поочерёдно
подключено до 20 потенциометрических приставок. Вторичный прибор
имеет две шкалы, одна из них градуирована в метрах, другая – в сантиметрах. Пределы дистанционного измерения уровня 0…19 м.
Кроме УДУ-10 в качестве типового можно пр
ивести устройство
дистанционного наблюдения уровня и напора жидкости УМ2-3, предназначеное для дистанционного наблюдения уровня и напора неагрессивных жидкостей и мазута, нагретого до 60…80 °С, в открытых резервуарах. Принцип работы устройства основан на способе слежения за уровнем с помощью поплавка, находящегося на поверхности жидкости и
перемещающегося вместе с её у
ровнем. Устройство работает по принципу синхронной передачи с применением сельсинов. Типы датчиков
отличаются друг от друга материалом поплавка. Конструктивное отличие приёмников заключается в типах применённых в них сельсинов.
Устройство выпускают комплектами в зависимости от назначения.
Уровнемеры буйковые. Уровнемер буйковый пневматический
УБ-П предназначен для работы в систе
мах автоматического контроля,
управления и регулирования параметров технологических процессов
в целях выдачи информации в виде стандартного пневматического
сигнала об уровне жидкости или границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, находящихся под вакуумметрическим, атмосферным или избыточным давлением (см. рис. 5.5).
108
Рис. 5.6. Уровнемер буйковый УБ-П
Принцип действия уровнемера основан на пневматической силовой компенсации. При изменении уровня жидкости на чувствительном
элементе (буйке) измерительного блока возникает усилие, которое
через систему рычагов и тяг перемещает заслонку пневмопреобразователя относительно сопла. Давление из линии сопла поступает на выход
прибора и в сильфон обратной связи, который создаёт уравновешивающий момент. Внешний вид пр
ибора представлен на рис. 5.6.
Уровнемер буйковый электрический УБ-Э отличается тем, что
усилие, возникающее при изменении веса поплавка вследствие изменения уровня жидкости, перемещает сердечник в дифференциальнотрансформаторном преобразователе. Поэтому на выходе прибора
в соответствии с изменением измеряемого уровня жидкости изменяется величина стандартного индуктивного сигнала (0…10 mH).
Уровнемеры акустические. Уровне
меры акустические ЭХО-3
предназначены для бесконтактного автоматического дистанционного
измерения уровня жидких сред, в том числе вязких, налипающих, неоднородных, выпадающих в осадок и взрывоопасных, а также сыпучих
и кусковых материалов с диаметром гранул от 2 до 200 мм. Уровнемеры предназначены для применения в различных отраслях промышленности при управлении и регулировании т
ехнологических процессов.
Принцип действия акустического уровнемера основан на локации
уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду,
находящуюся над контролируемой жидкостью, и явлении отражения
этих импульсов от границы раздела газ–контролируемая среда. Мерой
уровня является время распространения звуковых колебаний от источника излучения до контролируемой границы раздела сред и обратно
до приёмника.
Уровнеме
р состоит из акустического преобразователя (АП) и
преобразователя передающего измерительного (ППИ-3). Акустический преобразователь предназначен для преобразования подводимых
к нему электрических импульсов в акустические и преобразования
отражённых импульсов от поверхности контролируемого материала
обратно в электрические. Основой АП является пьезокерамический
109
диск, работающий в режиме электроакустического источника колебаний. ППИ-3 предназначен для измерения преобразования времени запаздывания отражённого импульса относительно посланного зондирующего в выходной унифицированный сигнал постоянного тока
0…5, 0…20 или 4…20 мА.
Уровнемеры ультразвуковые. Принцип действия ультразвуковых
уровнемеров можно рассмотреть на примере уровнемера типа РУМБ.
Принцип действия уровнемера основан на обратном магнитоупругом
эффекте: упр
угая деформация, вызванная ультразвуковой волной, изменяет магнитную проницаемость стержня, которая, в свою очередь
(при наличии подмагничивающего поля), изменяет магнитный поток
через приёмную катушку. Измерение уровня сводится к измерению
времени между моментами прохождения фронта ультразвуковой волны в стержне около поплавка и опорной точки отсчёта.
Уровнемер включает в себя три преобраз
ователя: первичный, промежуточный и передающий. В первичном преобразователе формируется
интервал времени в виде электрического импульса, длительность которого пропорциональна значению измеряемого уровня и обратно пропорциональна скорости ультразвуковой волны в стержне. В преобразователе промежуточном производится измерение интервала времени и
преобразование его в значение измеряемого уровня в виде числоим-
льсного кода. Преобразователь передающий преобразует числоим-
пу
пульсный код в десятичный и индицирует его на цифровом табло.
Уровнемеры типа РУМБ предназначены для дистанционного автоматического измерения уровня жидких сред – нефтепродуктов, сжиженных газов и пр., в том числе высоковязких и коагулирующих, в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Имеются также
и другие типы промышленных у
льтразвуковых уровнемеров.
Уровнемеры радиоизотопные. Имеется несколько модификаций
радиоизотопных уровнемеров: сигнализатор уровня радиоизотопный
типа ГР-10, радиоизотопный следящий уровнемер УР-8М и др.
Сигнализатор уровня радиоизотопный типа ГР-10 предназначен
для бесконтактного контроля уровня жидких, сыпучих, зерновых и
кусковых материалов. Прибор может быть использован также для контроля границы раздела двух сред и кон
троля наличия перемещающих-
ся предметов.
Принцип действия сигнализатора основан на ослаблении потока
гамма-излучения контролируемым материалом, который находится
между источником излучения и блоком детектирования.
Прибор имеет бесконтактный выход с уровнем логического «О» –
1,2 В и уровнем логической «1» – 12 В. При воздействии потока ионизирующего излучения бесконтактный ключ находится в по
110
ложении