Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

расходомеры имеют среднюю точность измерений и не работают при слишком малых потоках жидкости. Однако эти приборы широко применяются, например, для измерения расхода пара.

Тепловые расходомеры измеряют перенос тепла потоком газа или жидкости от нагревателя к термочувствительному элементу. Тепловые расходомеры фиксируют массовый расход газов или жидкостей (кг/ч), как и кориолисовы датчики, в отличие от остальных, измеряющих объемный поток (м3/ч). Эти приборы имеют невысокую точность измерений, однако они могут работать при низких скоростях потока жидкостей или газов, где другие типы расходомеров неприменимы.

Ультразвуковые расходомеры при их использовании на тру-

бопроводах средних и больших диаметров оказываются значительно дешевле механических и электромагнитных расходомеров, а иногда и расходомеров на сужающих устройствах (например при расположении трубопровода на большой высоте, когда для организации узла учета на сужающем устройстве необходимо осуществлять дорогостоящую реконструкцию трубопровода и строительство здания узла учета), в связи с чем нашли широкое распространение на крупных промышленных объектах, предприятиях водоснабжения и водоотведения, предприятиях теплоэнергетики. Кроме того, в отличие от электромагнитных, ультразвуковые расходомеры могут использоваться для измерения расхода жидкостей-диэлектриков, например нефтепродуктов.

Особенностью выпускаемых ультразвуковых расходомеров является то, что по заказу они могут быть укомплектованы либо врезными датчиками, контактирующими непосредственно с жидкостью в трубопроводе, либо накладными (бесконтактными), монтируемыми на внешней поверхности трубопровода.

Значительное количество таких стационарных и переносных ультразвуковых расходомеров с бесконтактными датчиками успешно эксплуатируется не только на водопроводной и теплофикационной воде, но и на сильно загрязненных средах с высо-

111

ким содержанием ила, песка, водорослей и т.д., а также на сточных водах. Кроме того, расходомеры с бесконтактными датчиками нашли широкое применение на предприятиях металлургической, химической и нефтедобывающей отраслей, в том числе на абразивных и агрессивных жидкостях.

Прямолинейные участки трубопровода, необходимые для правильной эксплуатации ультразвуковых расходомеров, как правило, меньше, чем для сужающих устройств, поэтому чаще всего монтаж датчиков может быть осуществлен в имеющейся камере для сужающего устройства.

Расходомеры фирмы «Взлет» представляют собой современные приборы на базе микропроцессорной техники, вобравшие в себя новейшие достижения в области ультразвуковой расходометрии. В их алгоритмах работы предусмотрены автоматическая коррекция скорости ультразвука и гидродинамического коэффициента в зависимости от средней скорости потока. Погрешность измерения бесконтактными датчиками с преломлением луча не превышает погрешность для врезных датчиков прямого излучения. В широком диапазоне скоростей потока и температур относительная погрешность измерения расхода не превышает ±1,5 %

илишь при скоростях менее 0,3 м/с не превышает ± 4 %.

Вслучае использования специально изготовленного измерительного участка в указанном диапазоне скоростей потока относительная погрешность измерения не превышает 1 % и 2 % соответственно. В процессе эксплуатации в результате коррозии и образования на стенках трубопровода отложений возможно увеличение погрешности измерения расхода, связанное с изменением внутреннего диаметра и шероховатости. Чтобы этого избежать, для установки как накладных, так и врезных датчиков необходимо использовать трубы или специально изготавливаемые участки труб из нержавеющего металла, из полимерных материалов или металлические трубы с полимерным покрытием. Большой опыт долговременной эксплуатации расходомеров с накладными дат-

112

чиками на трубах с внутренним полимерным покрытием с агрессивной «подтоварной» водой имеется во многих нефтедобывающих объединениях. Наряду с этим нами накоплен большой опыт эксплуатации стационарных и переносных расходомеров с накладными датчиками и на достаточно старых трубах (стальных

– до 10...15 лет, чугунных – до 50 лет) с несколько увеличенной погрешностью из-за неточного определения диаметра и шероховатости трубопровода.

Важнейшим условием, наиболее сильно влияющим на точность измерения всех типов расходомеров, работающих по принципу скорость-площадь, в том числе для ультразвуковых расходомеров и расходомеров на сужающих устройствах, является симметричность эпюры скоростей потока, обеспечиваемая соблюдением длин прямолинейных участков. Сокращение требуемых длин прямолинейных участков для таких расходомеров без ущерба для точности измерений, т.е. проведение измерений при искривленной эпюре скоростей, – задача, решаемая исключительно при помощи многоканальных измерителей, независимо от метода измерения.

7.2.Методы и приборы для измерения уровня

Внефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности на измерение уровня приходится 18…20 % от общего объема измерительных операций. Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.

Методы измерения уровня следующие: поплавковый, буйковый, гидростатический, электрический и др.

113

Поплавковый метод. Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка.

Буйковый метод. Действие буйкового уровнемера (рис. 7.6) основано на законе Архимеда. Чув- ствительным элементом буйкового уровнемера является буй – массивное

тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором контролируется.

По мере изменения уровня жидкости изменяется погружение буя вследствие компенсации выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске.

Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения буя.

Гидростатический метод. В гидростатических уровнемерах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, созданного столбом жидкости: Р = ρж g h.

114

слой жидкости (рис. 7.7). Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности давления в дифманометре 2.

Электрические методы. Для измерения уровня жидкости может быть использовано различие электрических свойств жид-

измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения уровня.

Емкостной метод. Данный метод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндров.

Для этого уровнемера емкость между обкладками конденсатора определяется соотношением

C = 0,24λl ,

log D2

D1

где λ – диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; l – высота электродов; D1 – наружный диаметр внутреннего электрода; D2 – внутренний диаметр внешнего электрода.

В зависимости от уровня жидкости изменяется интегральная диэлектрическая проницаемость среды и соответственно емкость конденсатора. Таким образом, значение уровня h = kС, где k – некоторый постоянный коэффициент.

115

Емкостные преобразователи для измерения больших уровней выполняются в виде дискретных элементов, т. е. каждый преобразователь обслуживает часть высоты резервуара.

Пьезометрический метод. Основан на измерении высоты столба жидкости по давлению, производимому этим столбом, при постоянном значении ее плотности. В этом случае уровень жидкости определяют путем подключения манометра к нижней отметке емкости, продувкой воздуха или при помощи дифференциального манометра. При измерении уровня жидкости продувкой воздуха в резервуар на фиксированное расстояние опускают трубку. Расстояние от свободного конца трубки до дна резервуара должно быть не менее 75 мм. Через трубку прокачивают воздух, который, выходя из ее свободного конца пузырьками, препятствует поступлению жидкости в трубку.

Разновидностью пьезометрического метода измерения уровня является барботажный метод. По трубке, впущенной в резервуар под уровень жидкости, продувают воздух. Чтобы пузырьки воздуха вышли из трубки, его давление должно быть равным гидростатическому давлению столба жидкости. Следовательно, измерив давление воздуха, продавливающего столба жидкости в резервуаре и удельный вес ее, можно определить высоту уровня. Если же в резервуар опустить две трубки, расстояние между концами которых известно, можно определить и плотность жидкости.

Наиболее рационален пьезометрический метод измерения уровня кислоты. Он состоит в том, что по тонкой трубке, погруженной в кислоту, находящуюся в сборнике, пропускают небольшое количество воздуха, давление которого пропорционально уровню кислоты. По давлению воздуха, измеряемому манометром, судят об уровне кислоты.

Резонансный метод. Резонансные уровнемеры обычно имеют двухканальную структуру. В указанном измерителе используются два канала преобразования. На вход первого канала подаются измеряемый и неинформативный параметры, а на вход второго канала – только неинформативный. Неинформативный параметр

116

несет информацию о диэлектрической проницаемости ε среды и служит для коррекции значения уровня.

Применение принципа инвариантности (многоканальности) в промышленных уровнемерах позволяет уменьшить погрешность с 2,5 % при одноканальном устройстве до 0,2 %.

Среди современных технических средств измерения уровня наибольший интерес представляют:

радарные датчики уровня для удаленного и бесконтактного измерения уровня, имеющие помехоустойчивое и взрывозащит-

ное исполнение (SITRANS Probe LR);

магнитострикционные датчики уровня для измерений с вы-

сочайшей точностью, надежностью и долговечностью, применяемые в системах коммерческого учета (FFG, MTS-Sensor);

ультразвуковые датчики уровня для бесконтактного измерения текущего и предельного уровня вещества, выпускаемые с цифровым и аналоговым выходом (HydroRanger 200, MultiRanger

100/200, SITRANS LU01/LU02, Echomax XRS-5, ДУУ6);

кондуктометрические датчики уровня для контроля и сиг-

нализации одного или нескольких предельных уровней, применяемые в средах, проводящих электрический ток (ДС, ДУ, FLX);

лазерные датчики уровня, сочетающие в себе дешевизну поплавковых датчиков и бесконтактный метод радарных (L-GAGE, PicoDot);

акустические датчики, принцип действия которых основан на локации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду и отражающимися от границы раздела «газ – измеряемая среда» (ЭХО-АС-01).

7.3. Измерение положения, перемещения и скорости

Основными параметрами движения являются перемещение, скорость, ускорение. Все приборы, измеряющие параметры дви-

117

жения, подразделяют на две группы. К первой группе относятся приборы, основанные на методе контакта движущегося объекта с неподвижной системой как системой отсчета (контактные).

Ко второй группе относятся приборы, в которых нет контакта подвижного объекта с неподвижной системой. Здесь используется инерционность и принцип их действия основан на интегрировании основного уравнения механики. Входной величиной в этих приборах является сила инерции, поэтому приборы этой группы называют инерционными.

Приборы, измеряющие параметры линейного движения, назы-

ваются сейсмическими, а углового движения – гироскопическими.

Приборы, служащие для измерения виброперемещений, называются виброметрами, а для измерения ускорений – акселеро-

метрами.

Преобразователи угловых перемещений. Угловые измерения,

как правило, ограничены углами менее 360° и применяются в настоящее время при технических измерениях (кроме метрологических), имеют погрешность 0,5…1 угл. мин. При этом наиболее распространенным типом измерителя является реостатный преобразователь, порог чувствительности которого достигает 10 угл. мин. При наиболее точных измерениях применяются кодовые диски, при этом погрешность достигает 1…30 угл. с.

Преобразователь малых угловых перемещений (рис. 7.9) состоит из магнитопровода 3 прямоугольной формы и магнитопровода 4 цилиндрической формы (ротор). На оси цилиндрического магнитопровода укреплена подвижная рамка 2 с катушкой. Выводы рамки через безмоментные подводы выводятся наружу. На плунжер 6 магнитопровода насажена обмотка возбуждения 1, имеющая башмак 5.

При подаче напряжения на обмотку 1 создается поток 7, пересекающий цилиндр магнитопровода. В зависимости от положения рамки 2 в катушке последней наводится ЭДС, пропорциональная углу поворота φ:

118

кращения потерь на вихревые токи, выравнивания распределения индукции в зазоре, т. е. для повышения точности преобразования угла φ поворота в пропорциональное напряжение, ротор 1 датчика выполняют двухполюсным и собирают из отдельных изолированных пластин специальной формы. Рабочий диапазон поворота ротора датчика лежит в пределах угловых отклонений π/4 ≤ φ ≤ π/4.

Работает датчик следующим образом: практически весь магнитный поток, обусловленный переменным током в обмотке возбуждения 3, замыкается через воздушный зазор между ротором 1 и статором 2. При повороте ротора в пределах -π/4 ≤ φ ≤ π/4 потокосцепление обмотки возбуждения не меняется, а потокосцепление обмотки 4 с учетом равномерного распределения индукции в воздушном зазоре пропорционально углу поворота φ. Выходное напряжение датчика меняется практически линейно от максимума (при φ = - π/4) до минимума (при φ = π/4).

Сельсин работает в режиме фазовращателя, т. е. по схеме «угол – фаза – время». Сельсин имеет фазу выходного напряжения φ = kА, где k – коэффициент преобразования, А – угловой параметр.

Измерение линейных и угловых размеров. Линейные измере-

ния охватывают широкий диапазон и подразделяются на три поддиапазона:

1)от долей микрометра до нескольких метров (в основном используются в машиностроении для измерения шероховатости поверхностей и при измерении габаритов изделий);

2)от 100 мм до 100 м (обычно имеют место при измерении запасов горючего в баках самолетов, автомобилей, в хранилищах, разных уровней верхнего и нижнего бьефов гидростанции и др.);

3)от нескольких десятков и сотен метров до тысяч километров (используются при геодезических и астрономических измерениях).

При измерении шероховатостей поверхности обычно применяются индуктивный и емкостный преобразователи. Наибольшее распространение получили индуктивные преобразователи, реаги-

120