лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
8.8. Кориолисовы расходомеры Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.  Рис. 95. Силы, действующие на первичный преобразователь кориолисова расходомера: — силы воздействия;— перемещение;— угол закручивания Кориолисовы массовые расходомеры непосредственно измеряют массовый расход жидкостей, газов и взвесей без предварительного определения плотности и объема. Схема первичного преобразователя изображена на рис. 95. Труба, имеющая U-образную форму, после приведения ее с помощью электромагнитной катушки в колебательное движение, колеблется с собственной частотой (амплитуда менее 1 мм, частота — десятки герц). При движении трубы вверх газ, втекающий в трубу, давит на трубу вниз. На выходе из нее тот же газ дополнительно способствует движению трубы вверх, что, собственно, приводит к закручиванию U-образной трубы. Во время второго периода колебаний, когда U-образная труба движется вниз, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называют эффектом Кориолиса. И что очень важно знать: угол закручивания трубы прямо пропорционален расходу газа. Электромагнитные датчики, расположенные с каждой стороны трубы, измеряют скорость колебания трубы. Массовый расход газа определяют, измеряя разницу во времени поступления двух сигналов по скорости, эта разница прямо пропорциональна массовому расходу газа. Замечание Трубу первичного преобразователя располагают изгибом вверх, чтобы предотвратить накопление конденсата в ней. Выпускаются и другие преобразователи, действие которых основано на эффекте Кориолиса, представляющие собой отрезок прямой трубы, закрепленный с обоих концов и вибрирующей с максимальным прогибом в своей средней части. Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц не влияет на условия применения кориолисова расходомера. Широкий диапазон измерения, малые потери давления. Высокая точность. Этот принцип измерения позволяет получить информацию не только об объемном, но и о массовом расходе и плотности среды, проходящей через измерительный преобразователь. Примечание Кориолисовы расходомеры относят к «интеллектуальным» изделиям, так как они могут иметь встроенные микроконтроллеры для вычисления комплекса показателей. 9. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И СЫПУЧИХ ТЕЛ Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел относится к числу вспомогательных контрольных операций, позволяющих определить количества жидкостей и сыпучих тел в резервуарах для учета продукта и сигнализации о переполнении расходных баков и бункеров. Эти измерения также важны, когда поддержание некоторого постоянного уровня, например, жидкости в аппаратах, резервуарах, баках связано как с поддержанием технологического режима, так и с условиями безопасной работы оборудования. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня. В химической промышленности применяют различные методы измерения уровня жидкости: измерение уровня жидкости указательными стеклами, механические (с помощью поплавка или буйка), электромеханические (например, уровнемеры с индуктивными датчиками), гидростатические, пневматические, по измерению проводимости, емкостные, фотоэлектрические, ультразвуковые, акустические, радиоизотопные. При выборе уровнемера необходимо учитывать температуру, абразивные свойства, вязкость, электрическую проводимость, радиоактивность, химическую агрессивность измеряемой среды. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в объекте измерения или около него: давление, нагревание или охлаждение, способ заполнения или опорожнения резервуара, наличие мешалки, огнеопасность и взрывоопасность. Основными требованиями, предъявляемыми к современным уровнемерам, являются: высокая степень надежности при эксплуатации в химически агрессивной среде для широкого температурного интервала (от —40 °С до +80 °С); малая погрешность измерений (порядка ±1 мм при изменении уровня жидкости до 20 м); относительно невысокая стоимость; простота установки и технического обслуживания; пожаро- и взрывобезопасность; возможность интеграции в АСУ. 9.1. Механические уровнемеры  Рис. 96. Схема поплавкового уровнемера. Поплавковые уровнемеры (рис. 96) применяются в основном для непрерывного измерения уровня жидкости, когда положение поплавка, выступающего в роли чувствительного элемента и помещенного в жидкость, вызывает изменение какого-либо параметра преобразующего элемента. Принцип действия поплавкового уровнемера основан на следящем действии поплавка, находящегося на поверхности жидкости и перемещающегося вместе с уровнем жидкости. С поплавком 1 с помощью троса 2 соединен указатель вместе с противовесом 4, обеспечивающим натяжение троса. Когда уровень жидкости повышается, поплавок перемещается вверх, противовес с указателем движутся вниз вдоль шкалы 3. В большинстве случаев перемещение поплавка, вызванное изменением уровня жидкости, передается на плунжер соленоидного дифференциально-трансформаторного (индуктивного) датчика (рис. 5.97). Уровнемеры с индуктивными датчиками применяются для измерения уровня жидкости в резервуарах высокого давления.  Рис. 97. Схема уровнемера с дифференциально-трансформаторным датчиком  Рис. 98. Схема буйкового уровнемера: / — буек; 2 — преобразователь силыв токовыйсигнал Буйковые уровнемеры (рис. 98). Чувствительным элементом уровнемера является металлический цилиндрический буек, частично погруженный в измеряемую среду. На буек действуют сила его веса и выталкивающая сила. При изменении уровня жидкости меняется выталкивающая сила и положение буйка, подвешенного на пружине (на рис. 98 не показана). За счет разности глубины погружения буйка меняется выталкивающая сила, действующая на буек, и он перемещается либо вверх (при повышении уровня) или вниз (при понижении уровня). Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, применяются буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0...5 мА; 0...20 мА типа «УБ-Э» или пневматические с давлением 0,02...0,1 МПа (0,2...1,0 кгс/см2) типа «УБ-П». Действие данных уровнемеров основано на электросиловой или пневмосиловой, соответственно, компенсации усилия, развиваемого буйком измерительного блока уровнемера, погруженным в жидкость, уровень которой измеряется. 9.2. Гидростатические и пьезометрические уровнемеры Оба уровнемера пригодны для измерения уровня любых жидкостей. При выборе материала трубки, используемой для измерения давления, необходимо учитывать химические свойства жидкостей. Гидростатический и пневматический методы индикации уровня отличаются друг от друга тем, что при гидростатическом методе используется непосредственно давление, оказываемое жидкостью на дно резервуара, тогда как при пневматическом методе в резервуар принудительно подают воздух или защитный газ. Гидростатические уровнемеры. Измерение уровня основано на измерении оказываемого жидкостью на дно резервуара гидростатического давления, которое измеряется в открытых резервуарах при помощи обычного или дифференциального манометра. В резервуарах, находящихся под давлением и, следовательно, представляющих собой замкнутую емкость, уровень жидкости можно измерить только дифференциальным манометром (рис. 5.99). Величина гидростатического давления на дно резервуара зависит от высоты hстолба жидкости над измерительным прибором и от плотности р жидкости. Таким образом, справедливо уравнение:  или  Если манометр установить не на одинаковой с днищем резервуара высоте, то произойдет смещение точки начала измерения, пропорциональное разности высот. При использовании дифференциальных манометров место установки измерительного прибора не влияет на правильность индикации, если оно находится ниже уровня днища резервуара, а измерение давления осуществляется относительно давления постоянного уровня жидкости.  Рис. 99. Схема гидростатического уровнемера  Рис. 100. Схема пьезометрического уровнемера Пьезометрические уровнемеры. Высоту уровня жидкости измеряют по давлению воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости. На рис. 100 показана схема подобного устройства для открытых резервуаров. В жидкость, уровень которой предстоит измерить, погружают трубку и в нее через дроссель непрерывно нагнетается сжатый воздух или защитный газ, например азот. Пневматическое давление, устанавливающееся в погружной трубке за дросселем, соответствует гидростатическому давлению над концом трубки и является тем самым мерой уровня заполнения резервуара. Материал погружной трубки выбирается в соответствии с химическими и физическими свойствами измеряемой жидкости. Преимущество гидростатического и пневматического способов измерения уровня заключается в том, что они обладают весьма высокой эксплуатационной надежностью. Гидростатический метод можно использовать, в частности, для измерения уровня в резервуарах высокого давления. Преимущество пневматического метода состоит в том, что измерительное устройство не находится в контакте с измеряемым веществом, поэтому его очень удобно применять, измеряя уровень агрессивных, сильно загрязненных, вязких и склонных к кристаллизации жидкостей, включая пульпы, в открытых резервуарах. Указанные методы применяют в промышленности для измерения уровня жидкости также в перегонных кубах, реакторах и т. д. 9.3. Кондуктометрические уровнемеры Кондуктометрические уровнемеры применяются для измерения уровня электропроводящих жидкостей в резервуарах, цистернах. Принцип измерения основан на изменении силы тока от изменения контролируемого уровня жидкости в резервуаре. В пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико. Если опустить электроды в электропроводящую жидкость в резервуаре, уровень которой измеряется, то изменение проводимости отражает ее уровень. Примечание Ток, проходящий через жидкость, должен быть мал для исключения электролиза (или взрыва). 9.4. Емкостные уровнемеры  Рис. 101. Схема емкостного уровнемера: 1 — трубчатый (наружный) электрод; 2 — внутренний электрод; 3 — преобразователь емкостив токовый сигнал Их действие основано на измерении электрической емкости преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально (рис. 101). Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов емкостного преобразователя и воздухом (или парами жидкости). Измерение емкости осуществляют уравновешенными мостами переменного тока. Замечание Если жидкость находится в металлической емкости, то ее можно использовать в качестве одного из электродов емкостного преобразователя. Емкостный метод применяют для измерения уровня песка, цемента, извести, угольной пыли в бункерах и хранилищах, а также мазута, топлива, воды, кислот, щелочей и вязких материалов. 9.5. Фотоэлектрические уровнемеры Фотоэлектрические уровнемеры применяются только для измерения дискретных уровней жидкости. Первый вариант измерения уровня жидкости фотоэлектрическими преобразователями (рис. 102, а):  Рис. 102. Схемы фотоэлектрического уровнемера с разделенным (а) и совмещенным (б) расположением фотоэлектрического источника света 1 и светодетектора 2 фотоэлектрические источник света / и детектор 2 разделены, поэтому луч света (а также излучение ультрафиолетовое, инфракрасное) между ними прерывается, если уровень жидкости превышает высоту установки этих преобразователей. Практически луч света полностью не прерывается, а лишь ослабляется. Второй вариант измерения уровня жидкости фотоэлектрическими преобразователями: фотоэлектрические источник света, детектор и призма размещаются в одном корпусе (рис. 102, б). Свет от фотоэлектрического источника отражается от внутренней поверхности призмы и попадает на светодетектор в том случае, когда фотоэлектрический преобразователь находится в газовой среде. Если жидкость покрыла корпус фотоэлектрического преобразователя, индекс отражения между призмой и окружающей средой изменится, и луч света не будет отражаться от призмы к светодетектору. Примечание Свет представляет собой электромагнитное излучение. Видимый свет — это излучение в диапазоне длин волн, воспринимаемых человеческим глазом (от 380 до 780 нм). Излучение в диапазоне длин волн 10...380 нм называют ультрафиолетовым излучением (или просто ультрафиолетовым светом); излучение в диапазоне длин волн 780...3000 нм — инфракрасным излучением (или просто инфракрасным светом). 9.6. Ультразвуковые уровнемеры Ультразвук можно использовать для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Способ непригоден лишь для измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, которые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым привести к погрешностям измерения. Такие химические и физические свойства жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, играют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измерения уровня позволяет осуществлять сигнализацию уровня сыпучих материалов, а также легких хлопьевидных и содержащих воздух материалов, например, целлюлозы, мелкозернистых или порошкообразных синтетических материалов. Область применения этого метода распространяется также и на измерение уровня жидкости в емкостях из дерева и пластика, где сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не всегда пригоден. Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо наличие излучателя и приемника. Излучатель посылает ультразвуковые импульсы, представляющие собой механические колебания в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колебания, поведение которых напоминает поведение световых лучей. В связи с этим к ним применим известный из оптики закон отражения и преломления. Замечание В ультразвуковой измерительной технике все шире применяют пьезоэлектрический эффект, так как он позволяет достичь высоких частот, находящихся в диапазоне мегагерц. Время прохождения или поглощения луча ультразвука может служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распространения ультразвука минимальна, С ростом частоты звукопроводность уменьшается. Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей уровня (рис. 5.103). В первом режиме при измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука.    |