Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Учебно-методическое пособие
.pdf
непрерывное бесконтактное измерение уровня жидкостей
и сыпучих веществ.
Диапазон измерения: 0,4–8 м (для жидкостей), 0,4–3,5 м (для сыпучих веществ).
Рабочая температура: –40…+80 °C.
Рабочее давление: 0,2–2 бар изб.
Измеряемые среды: насыпные грузы, грануляты, жидкости, пасты, порошки, шламы, сыпучие вещества.
Контакт с измеряемой средой: нет.
Определение границы раздела фаз: нет.
Степень пылевлагозащиты: IP66/67.
Дискретные выходы: HART®.
Аналоговые выходы: 4–20 мА.
Вопросы для контроля по материалу шестой главы
1. Дайте определение понятию «уровень».
2. Какие бывают единицы измерения уровня?
3. В чем состоит принцип действия буйковых уровнемеров?
4. В чем состоит принцип действия поплавковых уровнемеров?
5. В чем состоит принцип действия электрических уровнемеров?
6. В чем состоит принцип действия гидростатических уровнемеров?
7. В чем состоит принцип действия омических уровнемеров?
8. В чем состоит принцип действия радиоизотопные уровнемеров?
9. В чем состоит принцип действия радарные уровнемеров?
10. В чем состоит принцип действия акустических уровнемеров?
11. В чем состоит принцип действия волноводные уровнемеров?
91
7. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
7.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ДАВЛЕНИЯ
В нефтеперерабатывающей промышленности измерение давления необходимо для безопасного ведения процесса.
Давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ и ход технологических процессов.
Давление – это отношение силы, действующей перпендикулярно
поверхности, к площади этой поверхности.
Существуют следующие виды давления:
атмосферное давление – это давление, создаваемое массой воз-
душного столба земной атмосферы;
абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля,
за который принимается давление внутри сосуда, из которого полно-
стью откачан воздух;
избыточное давление – это разность между абсолютным и ба-
рометрическим давлениями, а вакуум – разность между барометрическим и абсолютным давлениями.
В технической системе единиц давление выражается в килограммах силы на квадратный сантиметр, что также получило название
технической атмосферы (ат). Помимо указанных, существуют также
такие внесистемные единицы измерения давления, как бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водного столба, а также физическая, или нормальная атмосфера, которая эквивалентна 760 мм рт. ст.
ПИП давления подразделяются на:
манометры (для измерения избыточного давления);
барометры (для измерения атмосферного давления);
вакуумметры (для измерения разрежения);
мановакуумметры (для измерения избыточного давления и раз-
режения);
напоромеры и тягомеры (для измерения малых давлений);
дифференциальные манометры (для измерения разности дав-
лений).
92
7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ
Рис. 7.1. Жидкостный манометр
И ПО РОДУ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ
Приборы по принципу действия подразделяются на жидкостные,
деформационные и грузопоршневые.
В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов, а измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота которого будет являться мерой измеряемого давления. Жидкостные манометры предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа, разряжения и разности давлений и используются в основном в качестве образцовых
приборов для лабораторных и технических измерений (рис. 7.1).
В чашечных (однотрубных) манометрах одна из трубок заменена широким сосудом, сообщающимся с измерительной стеклянной трубкой (вертикальной или наклонной). При точных
измерениях применяются чашечные
манометры с наклонной трубкой, имеющие большую чувствительность
(микроманометры). Показания манометра при измерениях определяются по
длине столбика рабочей жидкости
в трубке, имеющей угол наклона а.
Принцип действия деформационных манометров основан
на упругой деформации чувствительных элементов под действием
измеряемого давления. Изучению приборов данного типа посвящен
отдельный раздел.
Принцип действия преобразователей давления основан на том,
что сенсор воспринимает измеряемое давление и в дальнейшем преобразует его в электрический сигнал, который в свою очередь обра-
93
батывается в электронном модуле с целью представления в форме,
удобной для индикации, передачи и дальнейшей обработки. Сенсор
и электронный модуль образуют датчик давления.
7.3. МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ПРИБОРЫ
Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми
гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Сильфоны
изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т.д.
Рассмотрим работу сильфонного дифманометра. Под действием
разности давлений сильфон, расположенный в плюсовой камере
дифманометра, сжимается, и кремнийорганическая жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона, частично вытесняется во
внутреннюю полость сильфона, находящегося в минусовой камере
дифманометра. При этом шток перемещается вправо, что вызывает
стрелки на шкале дифманометра.
В мембранном манометре чувствительный элемент – мембрана.
Мембраны представляют собой гибкие плоские или гофрированные
диски, способные получать прогиб под действием давления. В качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода, так как статическая характеристика плоских мембран не линейна.
Для различных диапазонов измерений различают упругие и эластичные мембраны (для измерения малых давлений и разности давлений).
Для увеличения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности характеристики применяют эластичные мембраны с жестким центром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране.
В манометре мембрана зажимается или приваривается по краю
между двумя фланцами.
Давление, действующее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого шток совершает вертикальное перемещение, которое передается зубчатому сектору и шестерне и вызывает перемещение стрелки прибора.
94
При необходимости получения большого прогиба мембраны соединяются в так называемые мембранные коробки, а также блоки, собранные из нескольких коробок. В таком манометре давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону мембранной коробки,
состоящей из двух герметично прилегающих друг к другу по внешней
кромке мембран. Манометры с мембранной коробкой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред. При измерении атмосферного давления получили распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которых удален воздух.
В настоящее время сильфон и мембрана в нефтяной и газовой
промышленности используются чаще не как чувствительные элементы, а как разделительные элементы.
Разделители сред предназначены для защиты чувствительного
элемента КИП от воздействия жидкой и газообразной агрессивной
или высокотемпературной сред, а также от закупоривания внутренних каналов загрязненными и застывающими средами.
7.4. МАНОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Действие приборов основано на изменении электрического сопротивления проводника под действием внешнего избыточного давления. Электрическими проводниками принципиально могут служить
любые металлы и сплавы, а также полупроводники. Однако для использования в манометрах сопротивления наиболее подходящим материалом является манганин, так как он обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротивления. Недостаток
манганина заключается в малой зависимости электрического сопротивления от давления (малый пьезокоэффициент).
7.5. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан
на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект
заключается в появлении электрических зарядов на гранях некоторых
95
диэлектриков при их деформации. К таким диэлектрикам относятся
кварц, турмалин и др., наиболее распространенным является кварц.
Пьезоэлектрические свойства в кристаллах проявляются в зависимости от ориентации их осей. Рассмотрим структуру кристалла кварца.
Она напоминает шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами. Одна из осей кристалла – Z соединяет вершины пирамид.
Эта ось Z называется оптической осью кристалла. Оси X перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Этих осей в кристалле три, они называются электрическими осями. Оси Y называются механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осей в кристалле также три. Оси X и Y перпендикулярны. Вырезанные из кварцевого кристалла пластинки, грани
которых перпендикулярны осям Y и X, обладают пьезоэлектрически-
ми свойствами. При отсутствии деформации все заряды в пластине
скомпенсированы, и она является электрически нейтральной.
При действии измеряемой силы Fx вдоль оси Х на гранях пластинки, перпендикулярных к этой оси, возникают разнополярные
электрические заряды qx (продольный пьезоэффект).
Значения зарядов в этом случае не зависят от геометрических
размеров пластины и определяются только измеряемым усилием.
Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то заряды снова появятся на тех же гранях, но их знак будет противоположным (поперечный пьезоэффект). Кроме того, в этом случае значение заряда будет зависеть от размеров пьезопластины.
При приложении силы вдоль оси Z пьезоэффект не возникает,
также как и при одновременном сжатии по всем осям.
Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика несколько пластинок соединяются параллельно. Между этими пластинками
находятся прокладки из оловянной фольги, которые служат обкладками для снятия зарядов. При этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться. Данная схема эквивалента параллельному соединению конденсаторов.
96
При измерении давления оно воздействует на мембрану и преобразуется этой мембраной в усилие, вызывающее сжатие кварцевых
пластин. С помощью обкладок снимается выходной сигнал в виде
ЭДС, который пропорционален приложенному давлению.
7.6. ТЕПЛОПРОВОДНЫЕ МАНОМЕТРЫ
При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул
соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эту зависимость используют в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа
в пределах от 0,0133 до 1333 Па. Манометр состоит из нагревателя
и измерителя температуры, находящихся в сосуде, в котором контролируют давление. В качестве измерителей температуры применяют
терморезисторы и термоэлектрические термометры.
Ионизационный вакуумметр с накаленным катодом предназначен
для измерения вакуума в пределах от 133,3 до 133,3*10-5 МПа. Действие вакуумметра основано на ионизации молекул газа потоком
электронов, испускаемых раскаленным катодом или излучаемых радиоактивным веществом [1].
7.7. ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
В состав датчиков давления обязательно входят два компонента:
пластина (мембрана) известной площади А и детектор, выходной которого пропорционален приложенной силе. Оба эти элемента могут
быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный
коэффициент тонкого металлического проводника. Максимальное
97
выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько
сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной
температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке
датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.
Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину ∆R. Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому напряжению и, следовательно, приложенному давлению.
Емкостные датчики давления
В емкостном ПИП давления чувствительный элемент представляет собой плоскопараллельный конденсатор, а измеряемое давление
воспринимается металлической мембраной или керамической мембраной с проводящим внутренним покрытием, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод размещается
на подложке из диэлектрика, например из керамики. Такой преобразователь измеряет абсолютное давление.
Таким образом, измеряемое давление является функцией расстояния между обкладками конденсатора и, как следствие, функцией
электрической емкости конденсатора.
С помощью емкостных преобразователей можно также измерить
разность давлений.
Емкостные датчики давления очень подвержены температурному
влиянию, поэтому для устранения этого влияния их чаще всего включают в дифференциальные схемы. Кроме того, к недостаткам емкостных датчиков давления можно отнести нелинейный выходной сигнал,
значительный гистерезис из-за неидеальных упругих свойств мембраны, чувствительность к вибрации. К их достоинствам относят
простоту конструкции, высокую чувствительность (∆C/C = 15–20 %),
высокое быстродействие.
98
7.8. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ОВЕН ПД100И
Датчики ОВЕН ПД100И моделей 115/125/175/185-2 представляют собой преобразователи давления с измерительной мембраной
из нержавеющей стали AISI 316L, «полевым» корпусом, матричным
ЖК-индикатором, с температурным диапазоном работы от –20
до +70 °С, кнопками для перенастройки диапазона до 1:5 и корректировки точки «нуля» до +20 %.
Датчики моделей ПД100И-1×5–2 предназначены для применения
в составе систем автоматического регулирования и управления
в энергетике, объектах нефтегазового хозяйства, производствах,
находящихся в сложных климатических и иных условиях, требующих
применения оборудования в «полевом» корпусе: газотранспортных и
газораспределительных системах, нефтепромыслах, объектах транспортировки нефти, НПЗ и производствах с агрессивными средами.
Технические характеристики
ДИ (избыточное): 0,04 / 0,1 / 0,25 / 0,6 / 1,0 / 4,0 МПа.
ДВ (вакуумметрическое): 0,04 / 0,1 МПа.
ДИВ (избыточно-вакуумметрическое): 0,03 / 0,1 / 0,3 / 0,5 / 0,8 /
2,4 МПа.
ДА (абсолютное): 0,1 / 0,25 / 0,6 / 1,0 / 2,5 МПа.
Возможность перенастройки диапазона измерений до 1:5 и корректировки точки 4 мА («нуля») с кнопок под индикатором «вверх»
до 1/5 ВПИ.
Межповерочный интервал:
5 лет – для датчиков с погрешностью 0,5 % ВПИ;
4 года – для датчиков с погрешностью 0,25 % ВПИ.
Дополнительная температурная погрешность не более 0,05 %
на 10 °С в диапазоне от –40 до +80 °С.
Степень защиты корпуса – IP65.
99
7.9. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ МЕТРАН™ 150
Датчики давления серии Метран 150 предназначены для работы
в системах автоматического контроля, регулирования и управления
технологическими процессами в различных отраслях промышленности, в том числе в пищевой. Обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин – давления избыточного, абсолютного,
давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый
выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола.
Технические характеристики
Основная приведенная погрешность: до ±0,065 %.
Межповерочный интервал – 5 лет.
Диапазон измерения разности давления: до 13,1789 МПа.
Диапазон измерения давления: до 68,947 МПа.
Материалы разделительной мембраны: нерж. сталь 316L, сплав
Hastelloy, тантал.
Материал корпуса: алюминий, нерж. сталь.
Самодиагностика: стандартная.
Исполнение: взрывозащищенные.
Дисплей – ЖК-индикатор с возможностью использования локального интерфейса оператора.
Выходной сигнал: 4–20 мА HART®, 0–5 мА.
Гарантийный срок эксплуатации: до 5 лет.
7.10. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ МОДЕЛЬ IS-3
Двухпроводное подключение датчика серии IS-3 идеально подходит
для использования в опасных зонах. Данные преобразователи давления
специально разработаны для удовлетворения высоких требований,
предъявляемых в промышленности к измерительной технике, имеют
разрешения АТЕХ и IECEx с указанием класса надежности (SIL).
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]