Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
5. КОНТРОЛЬИИЗМЕРЕНИЕУРОВНЕЙ Приборы для измерения уровня находят ш ирокое применение при автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, водного и коммунального хозяйства. Они имеют разные принципы действия, конструктивное исполнение и условия эксплуатации, что необходимо учитывать при их выборе для автоматизации конкретного технологического процесса. Измерение и контроль уровня жидкос тей необходимы в тех случаях, когда поддержание его на некотором заданном значении связано с безопасностью работы технологического оборудования, например, уровень воды в барабане парового котла, а также для определения количес тва жидкости в различных резервуарах и баках. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня. Уровнемеры, предназначенные для измерения уровня для его регулирования, снабжены двусторонней шкалой, которая градуируется в сантиметрах, а для приборов, применяемых для измерения уровня воды в барабане котлов - в миллиметрах. Уровнемеры, служащие для измерения количества жидкости в резервуарах и баках, имеют одностороннюю шкалу, а приборы, применяемые для измерения уровня и поддержания его в заданных пределах, снабжены устройс твом сигнализации предельных отклонении уровня от заданных пределов. В зависимости от требований, предъявляемых к объектам измерения, применяются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости дистанционной передачи показаний уровнемеров, то для измерения уровня жидкости обычно достаточно применение указательных стекол, которое основано на принципе сообщающихся сосудов или показывающих дифманометров-уровнемеров. 261 Для дистанционного измерения уровня жидкостей, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением применяют метод измерения по разности давлений с помощью дифманометров, а также методов контроля с помощью поплавка (буйка), ультразвуковых, емкостных и т.д. 5.1. Уровнемерыпоплавковыеибуйковые Простейшим прибором для измерения уров ня жидкости в резервуарах является поплавковый указатель уровня. О положении уров ня в этом случае судят по положению стрелки противовеса, соединенного с поплавком с помощью троса, перекинутого через блоки. Этот способ измерения позволяет контролировать уровень жидкости в резервуаре только в том случае, когда последний расположен сравнительно недалеко от поста наблюдения. Для дистанционного измерения уровня используются электрические схемы, в которых при перемещении поплавка предусматривается изменение сопротивления, включенного в электрическую цепь. При этом можно использовать сопротивление как омическое, так и индуктивное. В поплавковых указателях уровня с электрической передачей показаний на расстояние часто используется датчик в виде проволочного реостата или в виде кольцевой трубки, заполненной ртутью. В обоих случаях в качестве показывающего прибора используется логометр. Применяются также устройства, в которых изменение положения поплавка передается вторичному прибору через индукционный датчик. Устройство с использованием индукционной системы датчиков сельсинного типа представлено на рис. 5.1. Датчик такого уровнемера состоит из статора 1, изготовленного в виде стального ярма с двумя полюсами и двумя катушками возбуждения, последовательно включенными в сеть переменного тока, и ротора 2с тремя обмотками, симметрично сдвинутыми по отношению друг к другу. Концы обмоток ротора присоединены к изолированным друг от друга коллекторным 262 кольцам 3,насаженным на валу ротора. Переменный ток, проходящий через катушки возбуждения, индуктирует в обмотках ротора датчика и указателя э.д.с, значения которых будет определяться положением этих обмоток относительно магнитного поля статора. Если оба ротора расположены одинаково, то и наведенные в них э.д.с. тоже равны, а следовательно, в обмотках роторов тока нет. Перемещение поплавка 4 вызовет поворот ротора датчика, при котором возникнут токи, вызывающие поворот ротора указывающего прибора на такой же угол, как ротор датчика. Следует указать, что величина напряжения, частота и сопротивления проводов при применении такой схемы практически не влияют на результаты измерения. С изменением напряжения и сопротивления проводов изменяется только движущая сила датчика. Для этого устройства максимальный угол шкалы равен 270 0 Для целей сигнализации предельных уров ней ж идкости в резервуарах применяются контактные приборы, они также используются в автоматических устройствах в качестве элемента, срабатывающего при определенных предельных уров нях жидкости в резервуаре. Из приборов этого типа рассмотрим поплавковое реле типа РМ-21, предназначаемое для сигнализации положения уровня жидкос ти в открытых резервуарах, и типа СУ-5 для сигнализации положения уровня жидкости в закрытых резервуарах. На рис. 5.2-а показана схема установки реле типа РМ-21. Реле состоит из поплавка 1 и противовеса 2, соединенных с помощью троса (цепи), перекинутого через блок 7, и контактного устройства 3.На разных уровнях Рис. 5.1 - Поплавковый указатель уровня с датчиком индукционного типа 263 троса укреплены две переключающие шайбы 4 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 6 контактного устройства и замыкают контакты реле. Схема реле типа СУ-5 изображена на рис. 5.2-б. При перемещении поплавка 1 рычаг 2,жестко связанный с поплавком, с помощью штифта 3 действует на кулачок промежуточного рычага 4,второй конец которого шарнирно соединен со ш тангой 5,перемещающейся в ушке контактного рычага. На штанге 5 в соответс твующих местах укреплены две шайбы 7, которые при максимальном или минимальном уровне жидкости в резервуаре поворачивают контактный рычаг 6 и замыкают контакты реле. Для вывода рычага 4из резервуара применяется сильфон 8.Контакты реле настраиваются на замыкание для минимального или максимального предела уровня. Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, широкое применение нашли буйковые уровнемеры с унифицированным выходным электрическим сигналом типа УБ-Э и пневматическим сигналом типа УБ-П. Рис. 5.2 - Поплавковые сигнализаторы уровня: а- сигнализатор типа РМ-21; б- сигнализатор типа СУ-5 264 Действие этих уровнемеров основано на принципе компенсации усилия, развиваемого буйком, перемещающегося с жидкостью при изменении ее уровня. Устройство буйкового уровнемера схематично показано на рис. 5.3. Буйковый уровнемер присоединяется к объекту измерения при помощи фланца 7 и состоит из измерительного блока ИБ и преобразователя 1 с электро- или пневмосиловой компенсацией. Измерительный блок представляет собой рычажную систему с чувствительным элементом в виде буйка 4, взаимозаменяемым для уровнемеров типов УБ-Э и УБ-П. Буек, соединенный со стержнем 5, подвешен к рычагу вывода 6 с помощью призмы. Выходящая часть рычага 6 из полости, находящейся под рабочим давлением, уплотнена с помощью мембраны 8. Конец этого рычага с помощью поводка и ленточной тяги 9 соединен с рычагом 11 преобразователя 1. Преобразователи уровнемеров имеют дополнительный рычаг 2, на котором расположены грузы 3. Деталь 10 этого рычага соединена с поводком рычага вывода двумя упругими лентами (на схеме не показаны). Начальная сила тяжести буйка уравновешена грузом 3. Такое положение буйка соответс твует нижнему уров ню жидкости в резервуаре, при котором выходной сигнал уровнемера равен максимальному (верхнему) значению I вых = 5; 20 мА или Р вых = 0,1 МПа. При подъеме уровня жидкости в резервуаре выходной сигнал уменьшается и при максимальном уровне равен I вых = 0 мА 0 или Р вых = 0,02 МПа. Рис. 5.3 - Схема буйкового уровнемера 265 Уровнемеры УБ-Э могут работать в комплекте с миллиамперметрами типа КСУ2 и другими, а также совместно с автоматическими регуляторами уровня и с информационно-вычислительными и управляющ ими машинами. Уровнемеры типа УБ-П применяют с любыми вторичными показывающ ими или самопишущ ими приборами пневматической ветв и ГСП, а также с пневматическими регуляторами. Уровнемеры типа УБ-Э и УБ- П используются для измерения уровня жидкостей с температурой не выше 400 0 С. Они в ыпускаются на предельно допускаемое рабочее избыточное давление 6,4 и 10 МПа. Эти уровнемеры имеют класс точности 1 и 1,5. Изготовляют их с различными размерами ( диаметром и длиной) буйка, позволяющими выполнять измерения уровней в диапазонах от 0 - 0,04 до 0 - 16 м. Уровнемеры буйковые электрические типа УБ-Э выпускают также во взрывозащищенном исполнении для измерения уровня в объектах с температурой жидких сред от -40 до +200 0 С. 5.2. Акустическиеиультразвуковыеуровнемеры В принцип работы акустических и ультразвуковых уровнемеров заложен метод, основанный на использовании эффекта отражения звуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. В акустических уровнемерах используется метод локаций уровня жидкости через газовую среду. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня, распространяется через газовую (воздушную) среду. Это обеспечивает универсальность по отношению к различным средам, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежнос ть первичных преобразователей, не контактирующих с измеряемой средой. В ультразвуковых уровнемерах используется метод, основанный на отражении ультразвуковых колебаний от границы раздела сред. 266 В зависимости от используемого параметра звуковой волны различаю т частотный, фазовый и импульсный способы измерения уровня, а также их комбинации, такие, как импульсно-частотный, и др. Каждый из этих способов, обладая общ ими для акустического (ультразвукового) метода измерения достоинс твами, имеет свои преимущества и недостатки. Акустические уровнемеры широко применяют для дистанционного измерения уровня различных сред во многих областях промышленности. Уровнемеры этого типа используются для измерения уровня различных жидкостей ( однородных и неоднородных, вязких, агрессивных, кристаллизующ ихся), находящихся под давлением до 4 МПа и имеющих температуру от 5 до 80 0 С. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением. Ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня только однородных жидкостей и находящихся под высоким избыточным давлением. Акустический уровнемертипаЭХО предназначен для бесконтактного дистанционного измерения уровня ж идких сред, а также сыпучих и кусковых материалов с диаметром гранул от 2 до 200 мм. Мерой уровня является время распространения звуковых колебаний t от источника излучения (акустического преобразователя) до плоскости границы раздела сред и обратно до приемника. Структурная схема акустического уровнемера типа ЭХО приведена на рис.5.4. Время распространения звуковых колебаний определяется в соответствии с выражением: a h H t ) ( 2 − ⋅ = , (5.1) где (H-h) – высота воздушного столба; H – расстояние от источника излучения до нулевого уровня; h – уровень измеряемой среды; a – скорость звука в воздухе. 267 Акустический уровнемер включает в себя генератор электрических импульсов 9, которые преобразуются в ультразвуковые акустическим преобразователем 1 с помощь пьезокерамического диска. Акустический преобразователь устанавливается на крышке резервуара. Распространяясь вдоль акустического тракта, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела сред и попадают на тот же преобразователь.Отраженные ультразвуковые импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются, формируются усилителем-формирователем 2и подаются на устройство измерения времени запаздывания отраженного сигнала 3, в качестве которого используется триггер. Выходной сигнал пос тоянного тока 0 – 5 мА формируется при помощ и компенсационного преобразователя, работающего по принципу статического регулятора, включающего в себя устройство сравнения 4,усилительно- преобразующее ус тройство и элемент обратной связи – блок преобразования напряжения во временной интервал 6. Формирование выходного сигнала осуществляется путем автоматического слежения блоком 6 за длительностью импульсов триггера. 1 H h 2 8 9 3 7 4 6 10 5 U вых Рис. 5.4 - Схема акустического уровнемера типа ЭХО 268 Прямоугольные импульсы триггера и из цепи обратной связи компенсационного преобразователя подаются на устройство сравнения 4. Если длительность импульса с триггера не равна длительности импульса из цепи обратной связи, то на выходе блока 4появляется сигнал небаланса, который при помощи усилительно-преобразующего устройс тва 5меняет значение выходного сигнала. Это происходит до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет равным нулю. В данной схеме уровнемера амплитуда и час тота повторения импульсов не влияют на значение выходного сигнала, именно поэтому слежение происходит за длительнос тью импульсов. Для уменьшения влияния изменения температуры газа на показания прибора (скорость распространения звука в газовой среде зависит от температуры) уровнемер содержит блок температурной компенсации 10, который включает в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя. В схеме уровнемера предусмотрено помехозащитное устройс тво 7, исключающее влияние на показания прибора помех от токов промышленной частоты на входе усилителя 2. Для проверки работоспособности электрической схемы уровнемера используется блок контроля 8.Основные функциональные узлы электрической схемы прибора выполнены на основе электронных интегральных микросхем. Акустический уровнемер типа ЭХО выпускается на диапазоны измерения 0 - 1, 0 - 2 и 0 - 3 м. Класс точности уровнемера составляет 2,5. Ультразвуковой уровнемер. Эти уровнемеры предназначены для измерения уровней жидкос ти и сжиженных газов. В типовой схеме ультразвукового уровнемера используется импульсный способ измерения уровня по отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости h в этом случае является также время прохождения ультразвуковых колебаний t от пьезокерамического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела сред (жидкость - газ) и обратно до приемника. Структурная схема ультразвукового уровнемера 269 приведена на рис. 5.5. Время прохождения ультразвуковых колебаний t определяется по выражению: a h t ⋅ = 2 , (5.2) гдеа – скорость распространения звука в жидкости. Рис. 5.5. – Схема ультра звукового уровнемера Уровнемер состоит из пьезокерамического преобразователя 1, электронного блока 7 и в торичного прибора 5. Электронный блок включает в себя генератор 6,задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемых в ж идкость, уровень которой измеряется; приемного устройства -усилителя 3;схемы измерения времени 4. Задающий генератор 6 управляет работой генератора акустических импульсов 2 и схемой измерения. Преобразователь 1 крепится на дне резервуара, в котором производится измерение уровня жидкос ти. Распространяясь в среде, ультразвуковые импульсы отражаются от границы раздела ж идкость – газ, поступают на тот же преобразователь. Эти импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются усилителем 3 и пос тупают в схему измерения времени. Выходным сигналом уровнемера является напряжение пос тоянного тока, которое подается на вход в торичного прибора 5, например, автоматического потенциометра. 1 1 1 1 h 2 2 2 2 6 6 6 6 4 4 4 4 5 5 5 5 3 3 3 3 7 7 7 7 270 Выпускаемые ультразвуковые расходомеры имеют верхние пределы измерения уровня от 0,4 до 20 м и используются для рабочего избыточного давления до 2,5 МПа, при этом максимальная допустимая погрешность для них не превышает 2,5% от максимального диапазона измерения. 5.3. Емкостныеуровнемеры Емкостные уровнемеры ш ироко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей для различных объектов. Они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящ ихся под давлением до 2,5 - 6,0 МПа и с температурой от -40 до +200 0 С, что обусловлено надежнос тью применяемой изоляции для изготовления общепромышленных перв ичных преобразователей емкостных уровнемеров. Емкостные уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня вязких (более 0,980 Па · с), пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей, а также взрывоопасных сред. Действие емкостных уровнемеров основано на пропорциональном изменении электрической емкости первичного преобразователя, при изменении контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально. Емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован час тью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй - остальной частью электродов преобразователя и воздухом или парами жидкости. Емкость первичного преобразователя таких уровнемеров функционально связана с диэлектрической проницаемос тью веществ. Поэтому при измерении уровня жидкости емкостным уровнемером следует учитывать изменение диэлектрической проницаемости жидкости с изменением ее температуры. 271 В зависимости от электрических характеристик жидкости их разделяю т на неэлектропроводные и электропроводные. Жидкости, имеющие удельное сопротивление ρ > 10 7 - 10 8 Ом · м и относительную диэлектрическую проницаемос ть ε ж ≤ 5 - 6, относятся к группе неэлектропроводных, а жидкости, имеющие ρ ≤ 10 5 – 10 6 Ом · м и ε ж ≥ 7 – 10, относятся к группе электропроводных. Здесь необходимо отметить, что удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемос ть жидкостей зависят от частоты напряжения, которое подводится к измерительному преобразователю. Вследствие различия электрических характеристик жидкос тей емкостные преобразователи уровнемеров выполняют различным образом. Так, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолируют, а для электропроводных жидкостей они покрываются электрической изоляцией. Некоторые типы емкостных уровнемеров могут применяться для сигнализации и дистанционного измерения уров ня сыпучих тел с постоянной влажностью. Рассмотрим на примере емкостного преобразователя для неэлектропроводных жидкостей (см. рис. 5.6) работу емкостного уровнемера, выполненного в виде цилиндрического конденсатора из двух коаксиальных труб 2 и 3, размещенных в резервуаре 1. Емкость преобразо- вателя C o a , измеренная на зажимах а, когда между электродами 2 и 3 на рабочем их участке высотой Н находится воздух, Рис. 5.6 - Схема емкостного преобразователя для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей 272 определяется выражением: оп 1 C C C па + = , (5.3) где. С 1 - емкость проходного изолятора 4; С оп – начальная емкость датчика Начальная емкость датчика определяется согласно формуле: ) / ln( 2 1 2 0 оп r r H C ⋅ ⋅ = ε π , (5.4) где ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, Ф/м; r 1 и r 2 – радиусы электродов, м. Если конденсатор преобразователя заполнен измеряемой жидкостью на высоту h, а на участке H-h находятся воздух и пары этой жидкости, то емкость датчика определится суммой емкостей соответствующ их участков: С па = С 1 + С 2 + С 3 , (5.5) где ) / ln( ) ( 2 1 2 2 0 2 r r h H C − ⋅ ⋅ ⋅ = ε ε π , (5.6) ) / ln( 2 1 2 ж 0 3 r r h C ⋅ ⋅ ⋅ = ε ε π , (5.7) здесь ε 2 – диэлектрическая проницаемость воздуха и паров жидкости, Ф/м; ε ж - диэлектрическая проницаемость жидкости, Ф/м. Тогда с учетом выражения (5.4) и того, что ε 2 ≈ ε 0 ≈ 1, емкость преобразователя уровнемера выразится следующим уравнением: ⋅ − + ⋅ = H h ж ) 1 ( 1 С C оп па ε (5.8) Для того , чтобы учесть изменения диэлектрической проницаемости неэлектропроводной ж идкости ε ж при измерениях , в состав емкостного преобразователя уровнемера должна быть включена компенсационная емкость ( компенсационная часть ), постоянно заполненная контролируемой жидкос тью При работе же уровнемера в электропроводящ их жидкостях емкостные элементы преобразователя покрываются фторопластовой изоляцией , а вместо 273 компенсационной час ти к преобразователю подключают добавочную электрическую емкость В настоящее время в промышленности широко используются емкостные уровнемеры типа РУС Эти уровнемеры выпускаются как обычного ( РУС - О ), так и взрывозащищенного ( РУС - В ) исполнений В их состав входят первичный преобразователь ПП и передающий измерительный преобразователь ПИ Первичные преобразователи ПП -0 и передающ ие измерительные преобразователи ПИ -0 уровнемеров обыкновенного исполнения предназначены для работы только в помещениях и наружных установках , в которых по условиям работы не образуются взрывоопасные смеси паров и газов с воздухом Преобразователь ПП - В уровнемеров взрывозащищенного исполнения предназначен для ус тановки во взрывоопасных зонах помещений и наружных ус тановок Преобразователь ПИ - В уровнемеров взрывозащищенного исполнения с выходными искробезопасными цепями предназначен для установки вне взрывоопасных зон Первичные преобразователи устанавливают на резервуарах с контролируемой средой , а передающие измерительные преобразователи на щитах , пультах управления , кронштейнах Классы точности емкостных уровнемеров зависят от верхнего предела измеряемого уровня Точнос ть измерения уровня от верхнего предела измерения H ma x уровнемеров типа РУС приведена в таблице 5.1. Таблица 5.1 - Классы точности уровнемеров типа РУС Классы точности Классы точности Классы точности H max , м 0,5 1,0 1,5 2,5 H max , м 0,5 1,0 1,5 2,5 H max , м 0,5 1,0 1,5 2,5 0,4 - - + + 2,5 + + + + 1, + + + + 0,6 - - + + 4,0 + + + + 16 - + + + 1,0 + + + + 6,0 + + + + 20 - + + + 1,6 + + + + |