Лекція 1

Тема: Вимірювання температури

План лекції:

1. Температура та температурні шкали.

2. Класифікація методів і засобів вимірювання температури.

3. Ділатометрічні та біметалеві термометри.

4. Рідинні термометри.

5. Манометричні термометри.

6. Термометри опору.

7. Вимірювальні прилади термометрів опору.

8. Термоелектричні термометри (термопари).

9. Прилади для вимірювання термо-ЕРС..

10. Пірометри випромінювання.

Література:

1. Стенцель Й.І. Тіщук В.В. Метрологія та технологічні вимірювання в хімічній промисловості. Ч.1. (пункт 2.2).

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. (раздел 2).

3. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. (пункты 6.3.3 и 6.3.4).

Лекція 2

Тема: Вимірювання тиску та різниці тисків

План лекції:

1. Основні поняття та одиниці вимірювання тиску.

2. Класифікація приладів для вимірювання тиску.

3. Рідинні манометри.

4. Деформаційні манометри.

5. Індукційні вимірювальні перетворювачі тиску.

6. Диференційно-трансформаторні вимірювальні перетворювачі тиску.

7. Тензорезисторні вимірювальні перетворювачі тиску.

8. Ємнісні вимірювальні перетворювачі тиску.

9. П’єзоелектричні вимірювальні перетворювачі тиску.

10. Частотно-резонансні вимірювальні перетворювачі тиску.

11. Теплопровідні манометри.

12. Іонізаційні вакуумметри і манометри.

Література:

1. Стенцель Й.І. Тіщук В.В. Метрологія та технологічні вимірювання в хімічній промисловості. Ч.1. (пункт 2.3).

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. (раздел 4).

3. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. (раздел 1).

Лекція 3

Тема: Вимірювання витрати та кількості речовини

План лекції:

1. Основні поняття та одиниці вимірювання витрати та кількості речовини.

2. Об’ємні лічильники для рідин.

3. Швидкісні лічильники для рідин.

4. Лічильники кількості газу (ротаційні, з вимірювальними міхами, барабанні).

5. Витратоміри змінного перепаду тиску.

6. Витратоміри динамічного тиску.

7. Витратоміри постійного перепаду тиску.

8. Витратоміри змінного рівня.

9. Тахометричні витратоміри.

10. Вихрові витратоміри.

11. Коріолісові витратоміри.

12. Електромагнітні витратоміри.

13. Ультразвукові витратоміри.

14. Калориметричні витратоміри.

Література:

1. Стенцель Й.І. Тіщук В.В. Метрологія та технологічні вимірювання в хімічній промисловості. Ч.1. (пункт 2.5).

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. (раздел 5).

3. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. (раздел 2, 3).

4. Андронов И.В. Измерение расхода жидкостей и газов. (глава 1)

Лекція 4

Тема: Вимірювання рівня речовин

План лекції:

1. Вказівне скло.

2. Поплавкові рівноміри.

3. Буйкові рівнеміри.

4. Гідростатичні рівнеміри.

5. Електричні рівнеміри.

6. Рівнеміри з направленим електромагнітним випромінюванням.

7. Оптичні рівнеміри.

8. Радіоізотопні рівнеміри.

9. Ультразвукові та акустичні рівнеміри.

10. Радарні рівнеміри.

11. Рівноміри для сипучих тіл.

Рівень речовини в технологічному апараті чи ємності належить до основних технологічних параметрів, які підлягають постійному контролю, регулюванню, сигналізації та блокуванню. У сучасному виробництві зростають вимоги до засобів автоматизації, у тому числі до приладів контролю рівня рідинних та сипучих речовин. У залежності від параметрів контрольованого рідинного середовища, таких як температура, агресивність, в‘язкість, чистота, наявність піни, а також параметрів та конструкцій технологічних апаратів (надлишкового тиску в апараті, його конструкція, мішалок та інших механізмів) використовують прилади, принцип роботи яких заснований на різних методах вимірювання рівня. Для контролю рівня різноманітних рідин та РС у промисловості використовуються як контактні, так і безконтактні методи.

4.1. Класифікація сучасних методів та приладів контролю рівня рідинних середовищ

4.1.1. Контактні методи та прилади контролю рівня рідинних

середовищ. Широке розповсюдження отримали рівнеміри та засоби контролю, які відносяться до контактних методів контролю та вимірювання рівня РС. До цієї групи належать наступні методи: засновані на законі виштовхуючої сили; гідростатичний; електричний; ультразвуковий; метод направленого електромагнітного випромінювання. Перераховані вище контактні методи контролю та вимірювання рівня речовин та їх класифікація наведені на рис. 4.1.

Рівнеміри, в яких використовується метод, заснований на законі виштовхуючої сили (закон Архімеда), розділяється на рівнеміри з поплавком постійного занурення (які надалі називатимемо поплавковими) та рівнеміри з поплавком змінного занурення (надалі – буйкові рівнеміри) []. При зміні рівня змінюється глибина занурення поплавка, що викликає зменшення або збільшення дій сили Архімеда. У поплавкових рівнемірах ця дія компенсується спеціальними механізмами таким чином, щоби занурення поплавка залишилось початковим. У буйкових рівнемірів дія сили Архімеда призводить до зміни ваги зануреного буйка, яка перетворюється в тиск, електричний або цифровий сигнал. До недоліків рівнемірів, які працюють за цим методом, можна віднести вплив на точність вимірювання зміни густини контрольованої рідини, здатність кристалізуватися або осідати на поверхні поплавка речовин, які розчинені в рідині, неможливість використання поплавкових рівнемірів в апаратах під тиском. Недоліком цих рівнемірів є також наявність великої кількості механічних елементів, що ускладнює прилад.

Рис. 4.1. Класифікація контактних методів контролю

та вимірювання рівня РС

Гідростатичний методвимірювання рівня засновано на вимірюванні гідростатичного тиску, який створюється стовпом рідини []. Тиск рідини в апаратах вимірюють за допомогою манометрів (якщо тиск в апараті дорівнює атмосферному) або за допомогою дифманометрів (якщо апарат працює під тиском), в яких, в основному, для вимірювання тиску використовується тензоефект. Деформація чутливого елемента змінює електричний опір тензорезисторів мостової схеми, який перетворюється електронною схемою вимірювання в аналоговий або цифровий сигнал. До переваг цього методу можна віднести достатньо високу точність вимірювання (похибка складає від0,1%), простота конструкції та незалежність від конструкції апарату. До недоліків слід віднести залежність похибки вимірювання від густини контрольованої рідини, здатності речовин, які розчинені в рідині, кристалізуватися або осідати на чутливий елемент, та залежність похибки вимірювання від тиску в апараті.

До електричного методувимірювання рівня відносяться ємнісні та кондуктометричні рівнеміри []. Принцип роботи ємнісних рівнемірів засновано на залежності електричної ємності конденсатора, який складається з первинного вимірювального перетворювача та контрольованої рідини, від рівня цієї рідини. Ці рівнеміри використовуються при вимірюванні рівня рідин з питомою електропровідністю до 10^-4См/м. Принцип роботи кондуктометричних рівнемірів засновано на вимірюванні опору при замиканні електричної схеми, яка складається з електроду первинного вимірювального перетворювача та контрольованої рідини. Кондукометрічні рівнеміри використовуються для вимірюванні рідин з питомою електропровідністю більше 10^-4См/м. Цей метод не знайшов широкого використання в промисловості для неперервного контролю рівня, але принцип роботи багатьох сигналізаторів рівня засновано на цьому методі.

Ультразвуковий метод засновано на зондуванні рівня рідини за допомогою твердотільних хвилеводів (рис. 4.2), по яких розповсюджуються ультразвукові коливання (УЗК) []. Для ефективного випромінювання ультразвуку використовують симетричні або антисиметричні нормальні хвилі. Фазова швидкість цих нормальних хвиль більша швидкості розповсюдження ультразвуку в рідині. У цих рівнемірах УЗК збуджуються випромінюючим перетворювачем 2 у верхній частині хвилеводу 3, який виконано у вигляді вузької металевої пластини або стрижня, та розповсюджуються вниз до поверхні рідини 1, випромінюються у рідину та потрапляють на такий же самий хвилевід 4. УЗК, розповсюджуючись по цьому хвилеводу, досягають приймаючого перетворювача 5 та перетворюються в електричний сигнал, який подається на вхід приймаючого підсилювача 7, який з‘єднано зі схемою вимірювання часу 8. За розрахованим часом розповсюдження УЗК визначається рівень рідини в технологічному апараті.

Рис. 4.2. Блок-схема ультразвукового рівнеміра з хвилеводами:

1 – контрольована рідина;

2 – випромінюючий перетворювач;

3 – випромінюючий хвилевід;

4 – приймаючий хвилевід;

5 – приймаючий перетворювач;

6 – генератор зондуючих імпульсів;

7 – підсилювач;

8 – схема вимірювання часу;

9 – індикаторний пристрій

Ультразвукові рівнеміри з хвилеводами можуть працювати також і без випромінювання ультразвуку у рідину (рис. 4.3) []. У цих рівнемірах металевий хвилевід 3 виконано у вигляді замкненої петлі. Випромінюючий перетворювач 2 викликає збудження у хвилеводі 3 нормальної хвилі, фазова швидкість якої менша за швидкість ультразвуку в рідині 1. У цьому випадку фазова швидкість у контактуючій з рідиною ділянці суттєво зменшується через приєднану масу рідини. Перетворювач 4, який приєднано до хвилевода 3, сприймає УЗК, час розповсюдження яких вздовж хвилевода залежить від довжини зануреної у рідину частини хвилеводу, тобто рівня контрольованої рідини в технологічному апараті.

Рис. 4.3. Блок-схема ультразвукового фазочутливого рівнеміра:

1 – контрольована рідина;

2 – випромінюючий перетворювач;

3 – хвилевід;

4 – приймаючий перетворювач;

5 – генератор неперервних високочастотних коливань;

6 – підсилювач;

7 – фазометр;

8 – індикаторний пристрій

До переваг цього методу контролю та вимірювання рівня РС можно віднести відсутність впливу зміни параметрів газового середовища на точність та вірогідність контролю, можливість контролю як електропровідних так і неелектропровідних рідин, також агресивних та токсичних речовин. До недоліків слід віднести вплив налипання або забруднення хвилеводу на точність, діапазон вимірювання та вірогідність контролю рівня в‘язких або липких середовищ, а також вплив на точність вимірювань та вірогідність контролю зміни густини контрольованого рідинного середовища.

Метод направленого електромагнітного випромінюваннявикористовує нову технологію TDR (time domain reflectometry – рефлектометрія з часовим розділенням) []: вимірюється коефіцієнт відбиття методом суміщення прямого та відбитого випробувальних сигналів та визначається час проходження випроміненого імпульсу до поверхні контрольованого середовища. Принцип вимірювання за цим методом показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Принцип вимірювання методом спрямованого

електромагнітного випромінювання

Мікрохвильові радіоімпульси малої потужності направляються вниз уздовж зонда, який занурений у контрольоване середовище. Коли радіоімпульс досягає середовища з іншим коефіцієнтом діелектричної проникливості, через різницю коефіцієнтів діелектричної проникливості двох середовищ (газ – рідина, рідина – рідина) відбувається відбиття мікрохвильового імпульса в зворотному напрямку. Відстань до контрольованого середовища пропорційна інтервалу часу між моментом випромінювання імпульсу та моментом приймання ехо-сигналу. До переваг методу направленого електромагнітного випромінення можна віднести наступні: достатньо мала похибка вимірювання (від 0,1 %), вимірювання рівня розділу середовищ, мала залежність вимірювання рівня від тиску, температури та густини контрольованого середовища. До недоліків слід віднести вплив налипання або забруднення зонду на точність та діапазон вимірювання рівня в‘язких або липких середовищ.

Основним недоліком майже всіх контактних методів контролю та вимірювання рівня є вплив на точність вимірювання параметрів контрольованого РС, а постійний з ним контакт обмежує галузі їх використання.