Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И СИГНАЛИЗАЦИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе 7 по курсу

«Автоматика и автоматизация производственных процессов»

Санкт-Петербург

2006

Составители:

канд. техн. наук, ассист. Н. А. Сягаев, канд. техн. наук, мл. науч. сотр. В. Н. Соколов, канд. техн. наук, доц. Д. В. Беляев (отв. ред.), канд. техн. наук, ст. преп. Ю. В. Якобсон.

В создании лабораторной установки принимал участие уч. мастер Ю. М. Смирнов.

Утверждено в качестве методических указаний для сту­дентов дневного и вечернего отделений на заседании учебно-методической комиссии III —VIII факультетов ЛТИ им. Ленсовета 3.02.1984 г.

1. Цель лабораторной работы

Целью работы является изучение методов, средств изме­рения, сигнализации и регулирования уровня жидкости.

В процессе выполнения учебно-исследовательской работы студенты знакомятся с конкретными типами приборов, с помощью которых реализуются различные способы контроля или измерения; изучают схемы автоматического регулирования и технологической сигнализации уровня; определяют погрешности измерения и исследуют процесс автоматического регулирования уровня жидкости в емкости.

2. Основные сведения об автоматическом контроле, сигнализации и регулировании уровня

Технические средства, служащие для контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов или положения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, называются уровнемерами.

Общая классификация уровнемеров основывается на принципе действия их чувствительных элементов. В настоящее время для измерения уровня жидкостей получили наиболее широкое распространение следующие уровнемеры: визуальные, поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические и акустические.

Определение уровня с помощью визуальных уровнемеров основано на принципе сообщающихся сосудов. Такие уровнемеры называют указательными стеклами. Наблюдая за уровнем жидкости в прозрачной стеклянной трубке, можно судить о величине уровня жидкости в контролируемой емкости.

В поплавковых уровнемерах перемещение чувствительного элемента — поплавка — передается на показывающее устройство или на преобразователь перемещения (силы) в выходной сигнал. Возможны два принципа построения поплавковых уровнемеров. В первом случае поплавок плавает на поверхности жидкости, величина погружения его в жидкость постоянна, так как подъемная сила, действующая на поплавок, уравновешивается силой тяжести поплавка. В таких уровнемерах (с поплавком постоянного погружения) поплавок повторяет изменение уровня жидкости.

Во втором случае поплавок, имеющий форму удлиненного цилиндра (буйка), частично погружен в жидкость, и величина его погружения зависит от значения уровня, т. е. подъемная (выталкивающая) сила, действующая на поплавок со стороны жидкости, уравновешивается силой упругого элемента (пружины), изменяющейся при перемещении по­плавка. В таких уровнемерах (с поплавком переменного погружения) сила, выталкивающая поплавок, определяется значением уровня жидкости. Наибольшее распространение получили буйковые уровнемеры, которые выполняются по схеме компенсации силы и преобразуют значение уровня в стандартный пневматический или электрический сигнал. Эти сигналы измеряются с помощью соответствующих серийных измерительных приборов.

Измерение уровня жидкости постоянной плотности с помощью гидростатических уровнемеров сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. (где Р — давление столба жидкости; ρ — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; Н — высота столба жидкости).

Существуют гидростатические уровнемеры двух типов: с непосредственным измерением давления столба жидкости и с непрерывным продуванием воздуха или газа через столб жидкости.

Для непосредственного измерения давления столба жидкости в емкости используют манометры или дифманометры. При измерении уровня с помощью дифманометра одно колено (или камеру) соединяют с уравнительным сосудом, наполненным до определенного уровня жидкостью, находящейся в емкости. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение постоянства столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота уровня во втором колене (камере) дифманометра меняется с изменением уровня в резервуаре. Таким образом, каждому значению уровня соответствует определенный перепад давлений. Указанными уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях, в закрытых резервуарах, находящихся под избыточным давлением или разряжении.

Уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические) применяют для измерения уровня самых разнообразных жидкостей (агрессивных, вязких, загрязненных и т.д.). В этом случае в емкость с жидкостью, уровень которой надо измерить, помещают пьезометрическую трубку, через которую непрерывно продувается (барботирует) сжатый воздух (газ). С начала подачи воздуха (газа) давление будет повышаться до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости. При превышении последнего газ из трубки будет барботировать через жидкость. Давление воздуха (газа) в пьезометрической трубке характеризует положение уровня жидкости в емкости и может быть измерено любым манометром с соответствующими пределами измерений.

Расход воздуха (газа) регулируют редуктором так, чтобы он проходил отдельными пузырьками (60—100 пузырьков в минуту при наибольшем значении уровня). Для контроля за расходом воздуха применяются прозрачные контрольные сосуды или ротаметры. При измерениях уровня, основанных на законах гидростатики, плотность жидкости, зависящая от ее состава и температуры, должна быть постоянной. Если стабилизировать значение плотности по технологическим условиям производства не представляется возможным, требуется введение соответствующей коррекции показаний уровнемеров в функции изменения состава и температуры измеряемой среды.

Из электрических уровнемеров чаще других используются приборы с емкостными преобразователями, чувствительными элементами которых являются электрические конденсаторы (емкостные преобразователи) специальной конструкции. Это — либо цилиндрический конденсатор, выполненный в виде двух концентрически расположенных металлических трубок; либо конденсатор, одной обкладкой которого является стержень, опущенный в контролируемую емкость, а другой — металлическая стенка самой технологической емкости. Для измерения уровня электропроводящих жидкостей трубки (стержень) покрываются винипластом или фторопластом. Принцип действия емкостного уровнемера основан на изменении соотношения диэлектрических проницаемостей воздуха и среды, уровень которой измеряется.

Емкость преобразователя уровнемера измеряется с помощью мостовых схем переменного тока.

В акустических уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых волн (частоты свыше 15000 Гц) от границы раздела жидкость — газ, поэтому такие уровнемеры называются еще и ультразвуковыми. В зависимости от уровня жидкости меняется фазовый сдвиг между излученным генератором и принятым приемником отраженным сигналом, который и измеряется измерительной схемой.

В технологических процессах часто применяются промежуточные емкости и сборники готового продукта. Поэтому задача контроля и регулирования уровня является важным показателем реализуемого технологического процесса.

Для нормального протекания процесса наиболее часто необходимо выполнение двух требований — емкость не должна опорожняться и переполняться, что достигается выбором минимального значения уровня, при котором жидкость подается в емкость (так как в указанном случае запас продукта достаточен для работы лишь на непродолжительное время), и максимального значения, при котором подача жидкости должна быть прекращена (поскольку в противном случае произойдет перелив). Разность установленного максимального и минимального значений представляет собой нейтральную зону или зону нормального значения параметра, т. е. уровень находится в пределах заданного значения.

Контроль уровня может быть реализован в зависимости от условий производства с помощью перечисленных ранее уровнемеров. Регулирование уровня достигается подачей жидкости в емкость, либо изменением ее расхода из емкости. Подачей (расходом) жидкости можно управлять непосредственно у самой емкости с помощью местного поста управления или дистанционно со щита, управления вручную (оператором) или автоматически.

При автоматическом управлении при достижении уровнем заданных минимальных или максимальных значений обеспечиваются включение и выключение запорного органа или насоса. Эти процессы могут быть осуществлены позиционными регуляторами или двухпозиционными регулирующими устройствами, встроенными в измерительные приборы. Данные устройства используются также для построения системы технологической сигнализации, необходимой для оповещения обслуживающего персонала о наступлении тех или иных событий в управляемом объекте.