Системы управления ХТП2

Рис. 23.13. Структурная схема ультразвукового уровнемера

Уровень жи дкости в резервуаре определяют по времени запаздывания отраженного сигнала относительно посланного:

τ = 2h/ а,

где h — высота уровня ж идкости; а — скор ость распространения звука в жидкости.

Постоянное напряжение, про порциональное времени запаздыван ия отраженного сигнала (уровню) , получаемое в измерителе времени, подается на вторичный прибор.

Для акустического уровнемера время распространения ультразвуковых колебаний

τ = 2 (H — h) /a,

где Н — полная высота сосуда; h — высота уровня жидкости; а — скорость распространения звука в газовой среде.

3.5.7УРОВНЕМЕРЫ ДЛЯ СЫ ПУЧИХ ТЕЛ

Для ряда технологи ческих процессов в химической промышленности нередко возникает необходимость непрерывного измерения уровня сыпучих материалов в бункерах. Для этой цели наиболее часто применяют поплавковые, емкостные и весовые уровнемеры.

Работа поплавкового уровнемера с поплавком постоян ного погружения основана на поддержива ющей сп особности сыпучего тела, выражаю щейся в том, что опущенный на открытую поверхность поп лавок пр ибора не проваливается в глубь сыпучего материала. Схема поплавкового уровнемера для измерения уровня сыпучих тел аналогич на показанной на рис. 23.3.

Весовые уровнемеры сыпучего материала применяют в случаях, когда подвеска бункера не выз ывает кон структивных осложнений, а загрузка и выгрузка материала происходят не п ериодически, а равномерны м потоком. В качестве преобразователей в этом слу чае можно использовать различные весовые устройства. Так, в качестве преобр азователя предельного уровня, если бункер покоится на опорных пруж инах, можно применять конечные в ыключатели. При нагружении бункера происходят сжатие опорных пружин и линейное перемещение бункера п о вертикали. Штанга, укреп ленная на бункере, взаимодействуя с конеч ными выключателями, обеспечивает срабатывание при наполнении и опорожнении бункера.

В качестве преобразователей в весовых уровнемерах можно исп ользовать динамометрические датчики (ДД) и тензометры (см. с. 137). В первом случае

80

измеряют давление, передаваемое на опору бункер а. Это давление является функцией степени наполнения бункера материалом. Во втором случае измеряют сопр отивление провод ника, пропорциона льное уровню материала в бункере.

Рис. 23.14. Весовой уровнемер с дина мометр ическим датчиком

Рис. 23.15. Схема контактных сигнализаторов уровн я сыпучих тел с маятни ковым (а) и мембранным (б) устройством

Схема установки показана на рис. 2 .14. Комплект прибора состоит из гидравл ического ДД 1, с оединенного трубками с манометром 3, отградуированным в единицах массы или уро вня. ДД, являющийся опорой одно й из лап бункера 2, представляет собой металлический корпус с поршнем, герм етизированным гибкой мембраной. ДД, соединительная трубка и пружина манометра заполнен ы жидко стью. Давление в системе ДД—манометр равно отношению силы тя жести бункера с заполняющим его материалом к площади порш ня ДД.

В манометрах для этого уровнемера положение стрелки на начальной отметке шкалы (нуле) соответствует пустому бункеру. Таким образом, показания шкалы соответств уют силе тяжести материала, заполняющего бункер.

На рис. 23.15 показаны принципиальные схе мы сигнализаторов уровня сыпучих материалов, которые основаны на примене нии преобразователей, воспринимающих давление контролируемого вещества. На различной высоте в стенках бункера устанавливают мембраны или подвешивают на шарнирах маятники с пластинкой или шаром на конце. Под давлением сыпучего материала мембрана прогибается и перемещает за собой пружину, которая замыкает контакты. Последние обеспечивают подачу соответствующего электрического сигнала. При понижении уровня пруж ина возвращает м ембрану и контакты в исходное положение.

81

3.5.8СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

Измерение уровня необходимо во многих технологических процессах современного производства. Острую потребность в измерителях уровня испытывают предприятия нефтегазо вого, нефтехимического и энергетического комплексов, где имеется большое количество резервуарныхпарков, и осуществляются товарныеоперации(отгрузка, поставка, хранение).

Различия в условиях применения и разнообразие предъявляемых требований привели к необходимости использования различныхтехнологийизмерения, ноприэтомни одинизспосо бов не является универсальным и не может применятьсявовсехслучаях.

Бесконтактный метод измерений позволяет производить вычисления уровня и других величин, невступая в непосредственный контакт с измеряемым продуктом. Этохорошийвыбор при работе в таких средах, где стандартные погружные приборы засоряются или подвергаются коррозии. Типичнымипредставителямиэтогометодаизмеренийявляются:

радарныеуровнемеры; ультразвуковые.

Контактные методы измерений уровня довольно популярны и повсеместно примени

мы:

•гидростатические;

•поплавковые/буйковые;

•волноводные.

Самымиизвестнымисредстваминепрерывногоизмерения уровня являются датчики давле ния. Гидростатический метод измерения уровня в настоящее время широко применяют во всех типах производств. Гидростатические уровнемеры с механическими воспринимающими элементами (сильфонами, мембранами, трубками давления, выносными мембранами и встроен ными разделителями) легкомогутбыть установлены прямо в резервуаре либо в непосредст венной близости от него. Гидростатическиеуровнемерыобладаютцелымрядомдостоинств: низ кой стоимостью, механической прочностью, простотой монтажа, надежностью; результаты измере ний не зависят от формы и размера резервуара, позволяют определить массу продукта в резер вуаре и т.д. Однако им присущ недостаток, общий для контактных методов чувствительный эле мент(для датчиков давления мембрана) находится в непосредственномконтактесконтроли руемойсредой, чтотребует применения специальных материалов.

Другой тип контактных приборов волноводные уровнемеры. Технология, позволяющая с высокой точностью и надежностью измерять не только уровень продукта, но и уровень раздела двух сред, завоевывает свою нишу прежде всего там, где раньше использовались буйковые, поплавковые системы измерений.

На основе средств измерений уровня построено множество уникальных систем, пре доставляющих пользователю информацию о количественном учете и качественном состоянии продукта в резервуаре. Такие системы позволяют определить массу, уровень, объем, плотность, температуру в резервуаре, рассчитывают процентное содержание воды, измеряют температуру и давление в газовом пространстве резервуара, могут применяться для определения утечек, бытьосновойдляпринятия управленческих решений.

82

3.5.9Радарные уровнем еры

3.5.9.1Назначение

Радарные уровнемеры, завоевывают все бо льшую популярность в мире. Практика ис пользования таких приборов показывает, что они обладают наилучшими на сегодняшний день эксплуатационными характеристиками. Ониобладаютвысокойнадежностьюи точностью измерений уровня, не имеют в своем составе частей, контактирующих непосредственно с из меряемым продукт ом, нетребуюттехническогообслуживания, иповеркаихосуществляетсябез проведения демонтажа. Радарные датчики нечувствительны ко многим вызывающим проблемы характери стикам жидкостей, например, изменение плотности, диэлектрических свойств или пров одимости. Кроме того, радарный луч свободно проникает через слои пены и изоли рующиепрокладки, нанегоневлияютизмененияобъемазаполненногопарамипространстваре зервуара. Единственным недостатком радарных уровнемеров является их относительно высокая стоимость, ноонакомпенсируетсянизкой стоимостью владения. Всеприборыпредназначеныдля применениявсамых разнообразныхусловияхтехнолог ическогопроцесса.

Рад арные ур овнемеры - интелле ктуальные приборы для бесконтактных измерений уровня различных продуктов в резервуар ах и емкостях любого типа и размеров. Рекомендуются для технологического учета продуктов с погрешностью измерений уровня ±5 мм. Благодаря высокой чувствительности радарные уровне-

меры могут применяться для измерений уровня продуктов с малой диэлектрической проницаемостью и работать в широком диапазоне значений температур и давлений. Уровнемеры обладают высокой гибкостью благодаря широкому выбору сменных антенн и

материалов, просты в обслуживании и управлении, что в совокупности удешевляет затраты на обслуживание и обладание в целом. Общий вид уровнемера представлен на рисунке 1.

Измеряемые среды:

-неф тепродукты, щелочи, кислоты, растворители, водны е растворы, алкогольные напитки;

-суспензии, глина, извести, руды и бумажная

пульпа;

-гранулированные материалы от руды до лас-

тиковых гранул, мелкодисперсионные по рошковые м атериалы, цемент и пр.

3.5.9.2 Принцип измерения

В основу работы уровне меров положен принцип бесконтактного радиолокационного измерения расстояния до уровня раздела сред: возду шная сре-

да/контролируемый продукт, в процессе работы дат- Рисунок 23Общий вид уровне мера чик контактирует с парогазовой составляю щей внут-

реннего объ ема резервуара, а не с продуктом.

83

Прин цип №1. Уровень жидкости

из меряется короткими импульсами радара,

которые передаются от антенны, находящейся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости (см. рисунок 2). Когда импульс радара достигает среды с иной диэлектрической постоянной, часть энергии отражается обратно к датчику. Р азница во времени между переданным и о раженным импульсом пропорциональна расстоянию, от которого рассчитывается уровень. Таким

об разом, мо жно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень пр дукта в резервуаре:

где H – уровень жидкости в ёмкости, м; h - Рисунок 24 – П ринцип работы №1 высота резервуара, м; c – скорость света, м/с; tп – время передачи импульса, с; tо –

время приёма отражённого импульса, с.

Принцип №2. Принцип измерений (см. рису нок 3) осн ован на методе линейного час-

тотно-модулированного непрерывного излучения (F MCW). При этом частота сигнала за про-

межуток времени tmax-tmin увеличивается линейному закону f = kt. Излученная антенной радиоволна отражается от пове рхности пр одукта и через опре деленное время, зависящее от скорости распространения и расстояния д о поверхности проду кта, вновь попадает в антенну.

Рисунок 25 – Принцип работы № 2

В электронном моду ле датчика происходит преобразование излученного и принятого сигнала. В результате на выходе образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала. По разности частот определяется расстояние до продукта, а затем вычисляется уровень наполнения резервуара

где H – ур овень жидкости в ёмкости, м; h - высота резервуара, м; c– скорость света, м/с; t0 – время передачи сигнала с частотой f0, с; t1 – время приёма отражённого сигнала с частотой f0,

84

с; f0 – частота излучённого сигнала в момент времени t0, ГГц; f1 – частота излучённого сигнала в момент времени t1, ГГц, с.

Используемая радарная технология позволяет применить к обработке сигнала средства спектрального анализа, обеспечивающие высокоэффективное подавление паразитных отражений, а также помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта и загрязнениями антенны датчика уровня. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень продукта в резервуаре.

85

3.5.10Волноводные уро внемеры

3.5.10.1 Наз ачение

Измеряемые среды: жидкие (нефть, темные и светлые нефтепродукты, вода, водные растворы, сж иженный газ, кислоты и др.)

•Диапазон изме рений уровня от 0,1 до 23,5 м

•Погре шность измерений уровня:

±5 мм для зондов <5 м; ±0,1% от измеряемого расстоя ния для зо ндов >5 м

•Уровнемеры с успехом применяются в сле

дующих отраслях промышленности:

целлюлозно бумажная;фармацевтическая;

пищевая промы шленность и производство на питков;контроль питьево й воды и сточных в од; энерге

тика (плотины и ги дроэлектростанции).

Общий вид уровнемера представлен на рисунке

4.

3. 5.10.2 Принципизмерения

Принцип действия волнов одных уровнемеров основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TD R = Time Domain Ref lectometry ) (см.рисунок 5). Микроволновые радио импульсы малой мощ ности направляются вниз по з онду, погруженному в технологическую среду, урове нь которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с д ругим коэффициентом диэлектрической проницае мости, из за разности коэффи циентов диэлектрической проницаемости воздуха и жидкости происходит отраже ние микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной ин тервал между моментом передачи зондирующего импульса tп и моментом приема эхо сигнала tэ пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды.

где H – уровень жидкости в ёмкости, м; h - высота резервуара, м; с – скорость света, м/с; tп – время передачи импульса, с; tэ – время приёма отражённого и мпульса, с.

Аналогичным образом измеряется расстоя ние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интен сивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектри ческая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Радарный метод имеет ряд п реимуществ по сравн ению с другими методами измерения уровня: ра диоимпульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, темпе ратуре и давлению.

86

Рисунок 2 7 – Принцип работы

В зависимости от применения используются 5 типов зондов: коаксиальный, жесткий двухстерж невой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный и гибкий однопровод ный.

Рисунок 28 – Тип ы зондов

87

3.5.11 Ультразвуковые расходомеры

3.5.11.1Принципизмерения

Расположенный над загружаемым материалом генератор ультразвуковых колебаний (датчик] приводится в действие электрическим током. Он посылает направленный уль тразвуковой импульс через воздух к загружаемому материалу. Этот импульс отражается от поверхности материала. Отраженная в направлении датчика часть эхо сигнала пре образуется последним (чувствительный элемент работает в режиме направленного ми крофона] в электрический сигнал.

Время между излучением и приемом импульса (время пробега) прямо пропорцио нально расстоянию между датчиком и поверхностью загружаемого материала. Это расстоя ние D определяют исходя из скорости звука и значения времени пробега:

.

При скорости звука (в воздухе при нормальных условиях] a = 340 м/с время пробега 10 с соответствует пройденному импульсом расстоянию в 3,4 м, то есть расстоянию между датчиком и поверхностью материала в 1,7 м.

Рисунок 29 – Принцип измерения ультразвуковых уровнемеров

88,1,2,87,86,3,4,85,84,5,6,83,82,7,8,81,80,9,10,79,78,11,12,77,76,13,14,75,74,

15,16,73,72,17,18,71,70,19,20,69,68,21,22,67,66,23,24,65,64,25,26,63,62,27,28,61,6

0,29,30,59,58,31,32,57,56,33,34,55,54,35,36,53,52,37,38,51,50,39,40,49,48,41,42,47

,46,43,44,45

88