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
«Выключено» (соответствует логическому «О»). При перекрытии по-
тока ионизирующего излучения контролируемым объектом бесконтактный ключ переходит в состояние «Включено» (соответствует
логической «1»).
Радиоизотопный следящий уровнемер УР-8М предназначен для
непрерывного автоматического дистанционного измерения и регистрации уровня жидких сред в закрытых или открытых резервуарах,
а также для подачи унифицированного пневматического сигнала.
овнемере применён источник гамма-излучения цезий 137.
В ур
Конструктивные основные узлы уровнемера: электромеханический
блок с блоком детектирования и источником излучения, блок управления, вторичный прибор.
Уровнемеры ёмкостные. Предназначены для измерения уровня
электро- и неэлектропроводных жидкостей, включая криогенные жидкости, а также агрессивные и взрывоопасные, сохраняющие свои агрегатные состояния в интервале рабочих те
мператур и давлений. Уровнемеры применяют в системах контроля, регулирования и управления
производственными процессами в различных отраслях промышленности. Работа ёмкостных уровнемеров основана на том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.
Функциональная схема ёмкостного уровнемера приведена на
с. 5.7. В сосуд с жидкостью 1, уровень которой необходимо измерить,
ри
опущен электрод 2, покрытый изоляционным материалом. Электрод вместе со стенками сосуда образует электрический конденсатор, ёмкость которого изменяется при колебаниях уровня жидкости. Величина ёмкости
измеряется электронным блоком 3, который даёт сигнал на показывающий прибор 4. Работа уровнемера основана на ём
костно-импульсном методе измерения уровня, использующем
переходные процессы, протекающие в
цепи ёмкостного датчика, периодически
подключаемого к источнику постоянного
напряжения.
Примером промышленного ёмкостного уровнемера может служить уровнемер марки РУС.
Функциональная схема уровнемера
РУС представлена на рис. 5.8. Первичный преобразователь включает в себя
ёмкостной чувствительный элемент 1
и устройства
2 – 4 п
реобразования
Рис. 5.7. Схема измерения
уровня ёмкостным
уровнемером
111
ёмкости первичного преобразователя
в электрический сигнал. Измерительный передающий преобразователь ПИ
состоит из усилителя обратной связи 5,
усилителя-формирователя 6 унифицированного сигнала. Ёмкостной чувствиительный элемент 1 первичного преобразователя имеет две части: измерительную 1′, определяющую предел измерения, и компенсационную 1″, расположенную ниже измерительной и
Рис. 5.8. Функциональная
схема уровнемера РУС
предназначенную для фо
рмирования
сигнала компенсации ошибки, возникающей от изменения диэлектрических
свойств среды. При работе компенса-
циионная часть 1″ должна быть постоянно залита контролируемой
жидкостью. Первичный преобразователь с компенсационной частью
применяется только для контроля уровня неэлектропроводных сред.
Ёмкость компенсационной части включается в схему устройства 3 и
обеспечивает автоматическую компенсацию погрешности при изменении диэлектрической про
ницаемости среды. При измерении уровня
электропроводных жидкостей компенсационная часть 1″ в первичном
преобразователе отсутствует и заменяется конденсатором постоянной
ёмкости в схеме устройства 3. Чувствительный элемент первичного
преобразователя подключается к входу устройства 3. В устройствах 3,
4 ёмкости измерительной и компенсационной частей преобразуются
в электрический сигнал, который подаётся в измер
ительный передающий преобразователь ПИ на вход усилителя обратной связи 5. С выхода усилителя 5 сигнал подаётся на вход устройства 3 и на вход усилителя-формирователя унифицированного выходного сигнала 6, преобразующего этот сигнал в токовый выходной унифицированный сигнал
0…5, 0…20 или 4…20 мА.
Для работы в электропроводных средах используют пер
вичные
преобразователи, у которых чувствительные ёмкостные элементы
имеют изоляционное покрытие и выполнены в виде проводов (конструктивного исполнения ПОФ, ПТФ, ПСФ). В качестве изоляции использован фторопласт. Для контроля уровня диэлектрических жидкостей используют чувствительные ёмкостные элементы с неизолированными электродами, которые выполняются в виде коаксиальных
труб (КНД), гибких тросиков (ТНД, ТИТ).
Степень агрессивности
контролируемых сред ограничивается материалами, применяемыми
112
в чувствительных элементах первичных преобразователей: сталь
08Х22Н6Т и фторопласт-4.
Для коррекции погрешности, возникающей от изменения диэлектрической проницаемости контролируемой среды, в конструкции первичных преобразователей для диэлектрических сред (КНД-К, ТНД-К,
ТНТ-К) предусмотрена компенсационная часть.
Удельная электропроводность измеряемой среды: для диэлектрических сред не более 10 См/м, для электропров
–4
См/м.
10
одных сред не менее
5.1.2. ДАТЧИКИ-РЕЛЕ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД
Для контроля уровня жидких сред, уровня раздела жидкостей и
подачи через контактные устройства сигналов в системы автоматизации различных технологических установок и процессов предназначены датчики-реле уровня. По принципу действия они разделяются на
поплавковые, мембранные, ёмкостные, индуктивные, радиоизотопные,
фотоэлектрические, механические, а также основанные на принципе
проводимости.
В зависимости от условий эксплуата
ции датчики-реле выпускаются
для работы в помещениях с нормальной или взрывоопасной средой.
Поплавковые датчики-реле уровня. В системах автоматизации
производства используются поплавковые датчики-реле для контроля
уровня жидкостей, не выпадающих в осадок, не кристаллизирующихся, не разрушающих материалы деталей, соприкасающихся с исследуемой средой, а также для контроля уровня раздела двух несме
ши-
вающихся жидкостей разной плотности.
Принцип действия датчиков заключается в том, что при изменении уровня контролируемой среды поплавок через систему рычагов
вызывает срабатывание выходного контактного устройства датчика.
Изготавливаются датчики двух типов: камерные (например
РП-40, ПРУ-5М, ПРУ-5МИ) и бескамерные. В конструкции камерных
датчиков имеется специальная поплавковая камера, к
оторая по принципу сообщающихся сосудов соединена с контролируемой ёмкостью. Бескамерные датчики рассчитаны на монтаж на стенке или
крышке резервуара, в котором контролируется уровень.
Реле уровня полупроводниковые. Предназначены для контроля
уровня аммиака, хладона, воды, дизельного топлива, масла и других
жидкостей плотностью не менее 0,52 г/см
3
в стационарных и судовых
установках. Приборы состоят из первичного (ПП) и передающего
(ПРП) преобразователей. В первичном преобразователе перемещение
поплавка преобразуется в сигнал переменного тока с помощью кату-
113
шек, включённых в мостовую схему. Изменение напряжения на катушках происходит в результате изменения их индуктивности за счёт
перемещения поплавка из магнитного материала. Сигнал с ПП поступает на дифференциальный усилитель ПРП с выходным электромагнитным реле. В зависимости от положения уровня контролируемой
жидкости происходит срабатывание выходного реле, контакты которо-
гут использоваться во внешних цепях контроля и управления ис-
го мо
полнительными механизмами.
Омические датчики-реле, работающие на принципе проводи-
мости. Принцип действия омических сигнализаторов основан на за-
мыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи, обладающей определённым омическим сопротивлением (растворы кислот
и щелочей). Практически омические сигнализаторы ур
применены для сред с проводимостью 2⋅10
–4
См и выше. Прибор пред-
овня могут быть
ставляет собой электромагнитное реле, которое включается в цепь,
образующуюся между электродом и контролируемым материалом.
Схемы включения релейного сигнализатора уровня (рис. 5.9) могут
быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней.
а) б)
в)
Рис. 5.9. Схемы включения омического релейного сигнализатора уровня:
а – для контроля одного уровня; б – для контроля двух уровней;
в – для контроля двух уровней и ёмкости из изоляционного материала;
г – для контроля трёх уровней; у – уровень; э – электрод;
р – реле; т – трансформатор
114
г)
Датчики-реле уровня жидкости электрические. Датчики-реле
типа ДУЖЭ-200М, пневматические типа ДУЖП-200М предназначены
для подачи электрического или пневматического сигналов соответственно при повышении или понижении уровня жидкости относительно
заданной отметки в технологической аппаратуре, работающей под давлением.
Датчик состоит из корпуса со встроенными магнитным преобразователем и контактным устро
йством и буйка, закреплённого на тросе.
Принцип действия датчиков основан на использовании выталкивающей силы, действующей на буёк. Эта сила пропорциональна глубине
погружения буйка в жидкость. Изменение выталкивающей силы, происходящее при повышении или понижении уровня жидкости, вызывает пропорциональное перемещение буйка. Вместе с буйком перемещается магнитодержатель с магнитом, ориентированным отн
осительно
магнита контактной группы или заслонки. Переключение контактов
ДУЖЭ-200М или закрытие сопла ДУЖП-200М происходят в результате взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов.
Ёмкостные, индуктивные и радиоизотопные датчики-реле
уровня. Для контроля уровня жидких, сыпучих, зерновых, кусковых
материалов и контроля раздела двух сред с резко отличающимися относительными диэлектрическими пр
оницаемостями предназначены
ёмкостные, индуктивные и радиоизотопные датчики-реле уровня (сигнализаторы). Их работа как и ёмкостных уровнемеров основана на
том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается по диэлектрической проницаемости воздуха, либо водных паров. Функциональная схема ёмкостных датчиковреле отличается от приведённой на рис. 5.8 тем, чт
о с электронного
блока 3 сигнал поступает в релейный блок, который срабатывает при
достижении определённого уровня сигнала.
Фотоэлектрические датчики-реле уровня. В системах автома-
тизации используются фотоэлектрические датчики-реле уровня, предназначенные для дистанционного контроля и сигнализации состояния
уровня активного ила и управления уровнем в отстойниках очистных
сооружений сточных вод пр
едприятий коммунального хозяйства, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, химической промышленности и других отраслях. В основу работы прибора положен метод оценки изменения коэффициента пропускания светового потока контролируемой средой с помощью фотоэлектрических преобразователей.
В зависимости от состояния среды, т.е. степени её помутнения взвешенными частицами активного ила, меняется коэффициент пропускание жидко
стью светового потока. Эти изменения воспринимаются
чувствительными элементами датчика – фоторезисторами – и преобра-
115
зуются в соответствующие электрические сигналы, используемые для
сигнализации и управления.
Акустические датчики-реле уровня. Принцип действия датчи-
ков основан на явлении отражения импульса ультразвуковых колебаний от границы раздела сред «газ–контролируемая среда». Мерой
уровня при этом является время прохождения ультразвуковых колебаний от источника излучения до контролируемой границы сред и об-
о. По такому принципу работает, например, сигнализатор уров-
ратн
ня «ЭХО».
5.2. КОНТРОЛЬ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ
5.2.1. ИЗМЕРИТЕЛИ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ
Измерения уровня сыпучих тел имеет свои особенности. Характерным отличием сыпучих тел от жидких является непропорциональность передачи давления на дно и стенки в зависимости от уровня.
Принципиальная схема лотового уровнемера показана на рис. 5.10.
В этих уровнемерах зонд 6 и груз 8 подвешены на блоке храпового
колеса 4. Периодически зонд приподнимается пр
и помощи пневматического мембранного привода 2. Привод воздействует на храповое
колесо через собачку 3. Зонд опускается на поверхность сыпучего материала 7 под действием силы тяжести. Если уровень не изменяется, то
зонд поднимается и опускается на одно и тоже расстояние.
116
Рис. 5.10. Принципиальная схема лотового уровнемера
При понижении уровня материала
зонд опускается на большое расстояние,
чем поднимается, и наоборот. При этом
храповое колесо с осью 5 в одном направлении поворачивается на большой угол,
чем при повороте в обратном направлении.
Ось 5 через муфту 10 и поводок 11
соединена с пневмопреобразователем 12.
Устройство прибора рассчитано так, что
и изменении уровня в заданных преде-
пр
лах давление сжатого воздуха на выходе
прибора изменяется от 20 до 100 кПА.
Сжатый воздух с выхода пневмопреобра-
Рис. 5.11. Весовой
уровнемер (месдоза):
1 – опора; 2 – бункер;
3 – поршень
зователя 12 подаётся на вторичный прибор
(манометр) 9, шкала которого отградуирована в единицах высоты
уровня. Рассмотренный уровнемер позволяет измерять уровень до 20 м
с погрешностью ±10 см.
В качестве первичного преоб
разователя уровнемера, работающего на весовом принципе (рис. 5.11), можно использовать месдозу.
Месдоза представляет собой металлический кожух с закреплённой на
нём мембраной. Каждая часть месдозы заполнена жидкостью, сообщающейся с манометром через импульсную трубку. При изменении
веса материала в бункере изменяется давление в системе месдоза–
манометр. Недостатком данного принципа измерения является необ-
димость в некотором перемещении опоры бункера (от 1 до 3 мм).
хо
Погрешность измерения лотового уровнемера достигает ±10%.
5.2.2. ДАТЧИКИ-РЕЛЕ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ
Акустические датчики-реле уровня. Принцип действия датчи-
ков основан на явлении отражения импульса ультразвуковых колебаний от границы раздела сред «газ–контролируемая среда». Мерой
уровня при этом является время прохождения ультразвуковых колебаний от источника излучения до контролируемой границы сред и
обратно.
Механические датчики-реле уровня. Работа датчиков основана
аническом преобразовании усилий, создаваемых контролируе-
на мех
мой средой, в переключение контактов выходного устройства.
Сигнализатор уровня зерна типа СУ-1Ф предназначен для кон-
троля заполнения зерном и продуктами его переработки производственных ёмкостей, силосных хранилищ и зерноперерабатывающих машин. Сигнализатор может применяться на элеваторах, мельничных
комбинатах и комбикормовых заводах.
117
При засыпке (отсыпке) зернопродуктов флажок, установленный
в ёмкости, поворачивается и воздействует на микропереключатель,
который замыкает и размыкает электрические цепи сигнализации при
достижении заданного уровня.
Указатель уровня сыпучих материалов типа СБ-24 предназна-
чен для контроля заполнения ёмкостей цементом, песком и другими
подобными материалами. Электродвигатель указателя, располагаемый
над ёмкостью, через шариковую муфту приводит в движение гибкий
п, который находится внутри ёмкости. Вращение щупа прекращает-
щу
ся после затормаживания его нагружаемым материалом. В результате
этого срабатывают микровыключатели, подаётся сигнал и заполнение
ёмкости приостанавливается. При опорожнении ёмкости сыпучий материал освобождает щуп, микровыключатели срабатывают и цепи
управления получают новый сигнал на подачу материала.
Мембранные датчики-реле уровня. Пр
инцип работы датчиков
основан на преобразовании усилий, развиваемых мембраной чувствительного элемента, в переключение контактов выходного устройства.
На рисунке 5.12 показан указатель уровня с металлической мембраной. Он состоит из металлической мембраны 1 с закреплённым по центру
штоком 2. При прогибе мембраны шток воздействует на контактное устройство 3. На крон
штейне 4 закреплена возвратная пружина 5. Для регулирования натяжения возвратной пружины служит винт 6. Изолятор 7
крепится в корпусе сигнализатора 8. При понижении уровня возвратная пружина 5 возвращает мембрану и контактное устройство
в исходное положения.
Рис. 5.12. Мембранный уровнемер Рис. 5.13. Маятниковый уровнемер
118
Свойство сыпучих материалов образовывать при засыпании угол
естественного откоса позволило создать серию маятниковых приборов, работающих на принципе отключения материалов чувствительного элемента, выполненного в виде маятника с жёсткой или гибкой подвеской. На рисунке 5.13 показан указатель предельного уровня сыпучего материала. При повышении в бункере 1 уровня сыпучего материала 2 с угло
м естественного откоса чувствительный элемент 3 отклоняется от вертикального положения и замыкает контактную систему 4 включения световой сигнализации 5. Общим недостатком всех
указателей уровня маятникового типа является их зависимость от способа загрузки (бункера) материалом. Например, при беспорядочной
загрузке, когда материал может обтекать маятник со всех сторон, может не про
изойти ожидаемого отклонения маятника.
Практическое применение в промышленности нашли датчики ре-
ле типов ДУМ-1, МЦУ-2С и др.
Датчик-реле типа ДУМ-1 предназначен для контроля уровня
морской и пресной воды, дизельного топлива, смазочного и растительного масла, мазута, технического жира и других жидкостей с аналогичными параметрами. Чу
вствительный элемент – мембрана – разделяет прибор на две полости: герметичную, соединяющуюся с контролируемым уровнем, и полость, соединённую с атмосферой. Мембрана
через толкатель связана с подвижными контактами, перемещение которых зависит от настройки прибора на заданные значения давления
гидростатического столба контролируемой жидкости. При достижении
первого значения давления мембрана через толкатель п
роизводит переключение контактов первой контактной группы, при достижении
второго заданного значения давления – переключение контактов второй контактной группы. При достижении давления на величину разности давлений срабатывания происходит обратное переключение контактов. Датчик обеспечивает контроль уровня до 10 м. Датчик настраивается на срабатывание первой контактной группы при давлении
2,45 кПа, второ
й – при давлении 3,33 кПа.
Мембранный датчик уровня типа МЦУ-2С предназначен для
предупреждения аварийного накопления зерна, муки и других сыпучих материалов при автоматизации процессов на элеваторах, мельницах, крупяных и комбикормовых заводах. Усилие на мембрану датчика
не должно превышать (0,75 ± 0,05) Н. Принцип действия датчика аналогичен принципу действия ДУМ-1, но имеет тольк
о одно положение
контролируемого уровня. Изготавливается в пылезащищённом исполнении и имеет замыкающий и размыкающий контакты.
119
6. ДАТЧИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ И СОСТАВА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ
В данном разделе изложены основные принципы контроля и автоматического управления составом (концентрацией) жидких и газообразных веществ, описаны основные классы приборов, применяемых
в промышленности в цепях автоматического и полуавтоматического
управления концентрацией жидких и составом газообразных веществ,
типовые конструкции датчиков и приборов контроля концентрации и
состава, приведены примеры промышленных приборов контроля кон-
ации с техническими характеристиками. Указаны достоинства и
центр
недостатки различных типовых схем контроля и автоматического
управления концентрацией жидких и составом газообразных веществ.
Измерение концентрации жидкости и газа может относиться
к числу вспомогательных контрольных операций (если контролируемая величина не является конечной целью процесса), либо может быть
определяющей технологический процесс (если концентрация ко
го продукта строго регламентируется и от неё зависит ход процесса).
Приборы, предназначенные для этой цели, могут называться концентратомерами, либо иметь специфическое название в зависимости от используемого принципа измерения. Кроме того, приборы для контроля
концентрации можно подразделить на следующие группы: датчикипреобразователи с дистанционной передачей данных на контроли-
ющий прибор и датчики-реле контроля какого-либо параметра. Ещё
ру
один принцип классификации приборов для контроля концентрации –
по контролируемой среде: а) для измерения и контроля физических
свойств и химического состава газов; б) для измерения и контроля физических свойств и химического состава жидкостей.
В общем виде схему управления концентрацией можно предста-
вить ри
с. 6.1. Конкретным примером такой цепочки может служить
следующий набор приборов: (1) измерительный и сравнительный
электроды концентрации Н+; (2) измерительный преобразователь
П-201И с выходным сигналом 0…5 мА; (3) Диск-250 со входным сигналом 0…5 мА, с выходным сигналом 0…5 мА и с одним установом;
электропневматический преобразователь ЭПП-М; пневматический
исполнительный механизм МИМ1. Описанная цепо
чка может быть
значительно короче. Например, датчик-реле – исполнительный механизм (сигнализатор наличия агрессивных растворов МСН-5 – двухпозиционная трубопроводная арматура с электромагнитом 13с803р).
120
нечно-