1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
4. Электромагнитные (индукционные) расходомеры Расходомер состоит из первичного преобразователя расхода и измерительного устройства или передающего преобразователя. Первичный преобразователь (датчик) представляет собой изготовленный из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) участок трубы 1 (рис.19), расположенный между полюсами 2 электромагнита, причем магнитное поле направлено перпендикулярно к потоку жидкости. Труба изнутри покрыта изоляционным материалом. Измеряемая жидкость при протекании по трубе пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуктируется ЭДС, пропорциональная средней скорости потока, а следовательно, и объемному расходу жидкости. Индуктируемая ЭДС снимается двумя электродами 3, введенными диаметрально в поперечном сечении трубопровода, усиливается и измеряется вторичным прибором. У расходомеров типа ИР-61 и 4РИМ в канале расходомера создается однородное магнитное поле. В расходомере типа "Индукция-51" распределение магнитного поля выполнено по специальному закону: вблизи электродов оно приблизительно в два раза слабее, чем в центре канала. Такое магнитное поле уменьшает чувствительность прибора к искажению осевой симметрии распределения скорости потока и позволяет сократить длину измерительного участка трубопровода. Рис.6.3.19. Принципиальная схема электромагнитного расходомера: 1-труба; 2-полюса электромагнитные; 3-электроды. Рис. 6.3.20. Схема работы электромагнитного расходомера: Каждый преобразователь может быть отградуирован на один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю. Первичный преобразователь расхода может устанавливаться на горизонтальном, вертикальном или наклонном трубопроводе при условии, что весь объем 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 трубы длиной не менее пяти, а после него длиной не менее трех диаметров. Питание расходомеров переменным током напряжением 220 В. 5. Ультразвуковые расходомеры Ультразвуковые расходомеры отличаются быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью, большим диапазоном измерения. Ультразвуковой расходомер УЗР-В предназначен для автоматического измерения объемного количества и объемного 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 движущейся 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. Расходомер имеет частотный выход и 2 выхода постоянного тока 0-5 мА на нагрузку не более 2,5 кОм. 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 является отрезок трубы, на котором под углом a к ее оси установлены два пьезоэлектрических датчика (рис.21). При сжатии и растяжении в определенных направлениях пьезоэлементов на их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из этих поверхностей будет больше напряжения. Это явление называется обратным пьезоэффектом. Оно лежит в основе работы излучателей ультразвуковых колебании, преобразующих переменное электрическое напряжение в механические колебания той же частоты. Приемники, преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и приемным, с помощью высокочастотных кабелей они соединяются с измерительно-управляющим прибором. Рис.6.3.21. Структурная схема ультразвукового Рис.6.3.22. Схема работы ультразвукового расходомера УЗР-8 расходомера УЗР-8 Основным функциональным узлом измерительно-управляющего прибора 2 является субпанель измерения 1, которая содержит два синхрокольца. Импульс с выхода формирователя запускаю-щих 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- 1, где с - скорость ультразвука в контролируемой среде; 1 - проекция век-тора скорости v контролируемой среды на направление распространения ультразвукового сигнала. Принятый ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь за- пускающих импульсов 3 который вновь формирует импульс, поступающий на преобразователь 1. Процесс прохождения сигнала повторяется, благодаря чему возникает автоциркуляция импульсов в первом (ведущем) синхрокольце. Аналогично работает второе синхрокольцо. В этом случае импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 5 посту-пает 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 + 1. Принятый пьезодатчиком 1 ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь запускающих импульсов 5, который вновь формирует импульс, поступающий на пьезоэлектрический преобразователь 2. В результате повторе-ния процесса прохождения сигналов возникает автоциркуляция импульсов во втором (ведомом) синхрокольце. Оба синхрокольца одновременно работают в одном электроакустическом канале. Отличие ведомого синхрокольца от ведущего состоит в том, что в состав формирователя импульсов 5 входит схема контроля сов-падения 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. Импульсы 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 от скорости жидкости u в трубопроводе и не зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде, а значит не зависит от изменения ее физических свойств. Последовательность импульсов разностной частоты с выхода смесителя 9 через масштабный преобразователь 10 подается на аналоговый преобразователь 12, который преобразует частоту в ана-логовый сигнал, поступающий на стрелочный индикатор расхода 13. 6-разрядный электромеханический счетчик 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. Максимальное удаление пьезоэлектрических датчиков от измерительно-управляющего прибора - 150 м, для монтажа датчиков поставляется установочный комплект. Питание прибора переменным током напряжением 220 В часто-той 50 Гц. Потребляемая мощность не более 50 В*А. Расходомеры предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -10 до +45 °С и относительной влажности до 80 %. Габаритные размеры измерительно-управляющего прибора 400х355х175 мм, масса 12 кг. Прибор имеет настольную конструкцию, на его передней панели расположены стрелочный индикатор мгновенного расхода, электромеханический счетчик количества воды, индикатор системы встроенного контроля. В месте установки расходомера должен быть прямой участок трубы длиной не менее 5 диаметров до первичного преобразователя и не менее 3 диаметров после него. Поставщик - Союзглавприбор. 6. Функциональные схемы автоматического управления расходом 1. Расходомеры постоянного перепада давления принцип действия которых основан на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка), изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора так, что перепад давления по обе стороны поплавка остаётся постоянным. Из расходомеров постоянного перепада давления наибольшее распространение получили: а) ротаметры с поплавком, перемещающимся вдоль длинной конической трубки, характерными признаками большинства конструкций ротаметров являются значительная длинна трубки, обычно не менее чем в 10 раз превышающая его диаметр, и значительный ход поплавка, видимость поплавка или связанного с ним стержня; б) поплавковые расходомеры с поплавком обычно конической формы, перемещающимся внутри отверстия; характерным признаком большинства конструкций поплавковых расходомеров является дистанционная (электрическая или пневматическая) передача положения поплавка, незначительный ход поплавка, обычно не превосходящий его диаметр. 2. Электромагнитные (индукционные) расходомеры, принцип действия которых основан на измерении ЭДС, возникающей при движении электропроводной жидкости в магнитном поле. Существует большое количество расходомеров, принципы действия которых основаны на других зависимостях, например, тепловые, ультразвуковые, парциальные и др. В зависимости от назначения и поставленных задач системы измерения расхода , как и любые другие системы измерений, выполняют в виде цепи последовательно или параллельно соединённых преобразователей, линий связи и измерительных приборов. На функциональных схемах автоматизации все контролируемые и регулируемые параметры, приборы и средства автоматизации, их функциональные признаки, отборные и приёмные устройства, исполнительные механизмы и т.п. имеет определённые графические условные обозначения согласно действующим государственным стандартам. На рис. 3 приведены примеры условных обозначений приборов для измерения расхода методами постоянного перепада (рис. 23а) , переменного перепада (рис. 23б) и электромагнитного расходомера (рис. 23в), приводимые обычно на функциональных схемах автоматизации (разумеется, на ряду с другими параметрами технологического процесса, подлежащими контролю и автоматизации). Буквы в условных обозначениях приборов: F-расход или количество; I- показания: R-регистрация; Е- чувствительный элемент, электрическая величина, Т- дистанционная передача. а) б) в) Рис. 6.3.23. Примеры схем измерения расхода: 1а-ротаметр: 2а-сужающее устройство расходомера; 2б-бесшкальный дифманометр с электропередачей; 2в- вторичный показывающий и регистрирующий прибор; 3а- первичный измерительный преобразователь электромагнитного расходомера; 3б- вторичный показывающий прибор. Кориолисовы расходомеры Технология с использованием принципа Кориолиса Кориолисовы расходомеры обеспечивают точное измерение массы, плотности и объема в реальном масштабе времени для оперативного и коммерческого учета нефти и нефтепродуктов. Возможность измерения сразу нескольких переменных в сочетании с конструкцией, стойкой к агрессивным средам и перенастраиваемым диапазоном измерения позволяет получить экономичный прибор, обеспечивающий высокую точность измерения в течение длительного периода времени. Возможность определения содержания нефти и воды в водонефтяной эмульсии нефтяных скважин, используя один единственный кориолисов расходомер, является тем преимуществом, которое операторы традиционно ценят в работе больше всего. В трубопроводах, предназначенных для транспортировки нескольких продуктов, и при работе с сырой нефтью с меняющимися характеристиками кориолисовы расходомеры могут измерять массу и объем при рабочих условиях, не прибегая к коррекции коэффициентов измерения при изменении плотности и вязкости продукта. Путем мониторинга показаний плотности, измеряемых расходомером, операторы могут определить вид нефтепродукта перекачиваемого по трубопроводу или качество сырой нефти. Независимо от того, измеряете ли Вы сырую нефть с песком или очищенный бензин, кориолисовы расходомеры могут повысить точность измерения, снизить затраты на техническое обслуживание и улучшить эффективность управления процессом. Вы можете выбрать из следующих семейств: Elite, R- серии, F-серии, T-серии или D-серии. Устройство и работа дозатора 1.4.1 Блок измерения включает в себя расходомер кориолисового типа как средство высокоточного измерения расхода и плотности жидкости. Принцип действия кориолисовых расходомеров и плотномеров кратко описан ниже. 1.4.1.1 Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя (рисунок 1.2). Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы. Рисунок 1.2. Преобразователь 1700/2700 Датчик расхода Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки (рисунок 1.3) приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу. Рисунок 1.3. Задающая катушка Входной участок Сенсорные трубки Выходной участок Рисунок 1.3. Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках (рисунок 1.4). Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой. Входной участок Выходной участок Входной детектор Выходной детектор Катушка Магнит Синусоидальный сигнал Рисунок 1.4. Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе (рисунок 1.5). Нет расхода Сигнал входного детектора Сигнал выходного детектора Рисунок 1.5. Частота в Гц Период в микросекундах При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды при вращательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, возникающего от задающей катушки, т.е. когда трубка движется вверх под воздействием задающей катушки (первая половина цикла), то для жидкости, поступающей внутрь трубки, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной – способствует. Это приводит к изгибу трубки (рисунок 1.6). Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное. Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки. Сигнал входного детектора Сигнал выходного детектора Расход Рисунок 1.6. Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, так как сигнал от выходной стороны запаздывает по отношению к сигналу с входной стороны (рисунок 1.6). Разница во времени между сигналами ( T) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше T, тем больше массовый расход. 1.4.1.2 Измерение плотности. Соотношение между массой и собственной частотой колебаний сенсорной трубки – это основной закон измерения плотности в расходомерах Micro Motion. В рабочем режиме задающая катушка (рисунок 1.3) питается от преобразователя, при этом сенсорные трубки колеблются с собственной частотой колебаний. Как только масса измеряемой среды увеличивается, собственная частота колебаний трубок уменьшается, соответственно, при уменьшении массы измеряемой среды, собственная частота колебаний трубок увеличивается. Собственная частота колебаний трубок зависит от их геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самих трубок и массы измеряемой среды в трубках. Для конкретного типоразмера сенсора масса трубок постоянна. Поскольку масса измеряемой среды в трубках равна произведению плотности среды и внутреннего объема, а объем трубок является также постоянным для конкретного типоразмера, то частота колебаний трубок может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения периода колебаний. Частота колебаний измеряется выходным детектором (рисунок 1.7) в циклах в секунду (Гц). Период колебаний, как известно, обратно пропорционален частоте. Сигнал входного детектора Сигнал выходного детектора Частота в Гц Рисунок 1.7. Измерить время цикла легче, чем считать количество циклов, поэтому преобразователи Micro Motion вычисляют плотность измеряемой жидкости, используя период колебаний трубок в микросекундах (рисунок 1.8). Плотность прямо пропорциональна периоду колебаний сенсорных трубок. Частота в Гц Период в микросекундах Рисунок 1.8. 1.4.2 Блок управления, соединенный с блоком измерения информационной и сигнальной связью, позволяет программировать различные режимы дозирования, |