Файл: Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
75 пульсации давления в зоне вихреобразования («съем сигнала по пульсациям давления»).
Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры (рис. 1.24).
При протекании газа за телом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давления газа. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и служит мерой расхода.
Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колебаний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление объемного расхода и объема газа при рабочих условиях и формирование выходных сигналов по данным параметрам.
Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепления.
Он осуществляет преобразование значения избыточного давления потока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки.
Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Его сигнал также подвергается цифровой обработке.
Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры
Кориолисовые расходомеры и плотномеры предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного
1 2
2 4
3
Рис. 1.24. Вихревой расходомер
76 расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Какого-либо дополнительного оборудования для измерений не требуется.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОРИОЛИСОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ И
ПЛОТНОМЕРОВ
Измерение массового расхода. Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя (рис.1). Сенсор напрямую измеряет расход, плотность среды и температуру сенсорных трубок. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.
Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки
(рис.2) приводит к тому, что трубки колеблются вверх_вниз в противоположном направлении друг к другу.
77
Сборки магнитов и катушек_соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках (рис.3). Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.
Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе (рис.4).
78
При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена противдвижения трубки, приданного ей задающей катушкой, т.е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной способствует. Это приводит к изгибу трубки (рис.5).
Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное. Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки.
Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, так как сигнал с входного детектора запаздывает по отношению к сигналу с выходного детектора (рис.5). Разница во времени между сигналами (ΔT) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше ΔT, тем больше массовый расход.
Измерение плотности
79
Соотношение между массой и собственной частотой колебаний сенсорной трубки _ это основной закон измерения плотности в кориолисовых расходомерах.
В рабочем режиме задающая катушка (рис.2) питается от преобразователя, при этом сенсорные трубки колеблются с их собственной частотой. Как только масса измеряемой среды увеличивается, собственная частота колебаний трубок уменьшается; соответственно, при уменьшении массы измеряемой среды, собственная частота колебаний трубок увеличивается.
Частота колебаний трубок зависит от их геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самих трубок и массы измеряемой среды в трубках. Для конкретного типоразмера сенсора масса трубок постоянна.
Поскольку масса измеряемой среды в трубках равна произведению плотности среды и внутреннего объема, а объем трубок является также постоянным для конкретного типоразмера, то частота колебаний трубок может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения периода колебаний.
Частота колебаний измеряется выходным детектором (рис.6) в циклах в секунду (Гц). Период колебаний, как известно, обратно пропорционален частоте.
Измерить время цикла легче, чем считать количество циклов, поэтому преобразователи вычисляют плотность измеряемой жидкости, используя период колебаний трубок в микросекундах (рис.6). Плотность прямо пропорциональна периоду колебаний сенсорных трубок.
80
Расходомеры вихревые
Вихревые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей, газов и пара, по отношению к которым материалы проточной части расходомера обладают коррозионной стойкостью.
Используются в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в энергетике, нефтегазовой, химической, бумажной и других отраслях промышленности, а также в системах учета расхода жидкостей, газов, пара и в системах теплоучета.
Основные преимущества:
-единая литая конструкция, отсутствие импульсных линий, уплотнений, сварных соединений, а также отверстий и полостей, которые могут засоряться в процессе эксплуатации;
-стабильность измерений;
-повышенная помехозащищенность и устойчивость к вибраци;
-расширенная самодиагностика;
-модуль ЖКИ имеет возможность поворота внутри корпуса блока электроники на 360° с шагом 90°;
-встроенный датчик температуры может быть заменен без остановки технологического процесса.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Расходомер состоит из проточной части, блока электроники и его стойки.
Принцип действия основан на определении частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы. Частота пропорциональна скорости потока, и, соответственно, объемному расходу
81 измеряемой среды. Частоту вихрей воспринимает крыло сенсора вихрей, которое передает колебания на сенсор вихрей. Сигнал с сенсора вихрей поступает в блок электроники, где усиливается и обрабатывается, после чего формируются выходные сигналы, несущие информацию о расходе.
Расходомеры с опцией измерения температуры имеют встроенный датчик температуры, который устанавливается в тело обтекания под стойкой блока электроники. Данная опция позволяет по аналоговому токовому выходному сигналу измерять температуру среды (от _50 до 250°С), по частотно-импульсному
- объемный расход газа, насыщенного водяного и перегретого пара.
Цифровая коммуникация осуществляется с помощью стандарта Bell_202
(HART® протокол) и позволяет производить настройки параметров расходомера с помощью коммуникатора модели 375. По цифровому каналу коммуникации выводится значение объемного расхода, скорости, температуры измеряемой среды (для расходомеров с опцией измерения температуры среды), а также производится настройка и конфигурирование расходомера.
1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Расходомеры электромагнитные
Расходомеры электромагнитные серии Rosemount 8700 предназначены для измерений объемного расхода электропроводных жидкостей, пульп, суспензий и т.п.
82
Используются в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в энергетике, химической, пищевой, бумажной и других отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей.
Основные преимущества:
применение для измерения расхода агрессивных сред;
широкий размерный ряд;
различные материалы электродов и футеровок;
высокая точность измерений;
отсутствие движущихся частей;
малые потери давления;
прямолинейный участок трубопровода до расходомера 5Dу, после расходомера 2Dу.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Расходомеры электромагнитные состоят из датчика расхода и преобразователя.
Датчик расхода устанавливается непосредственно в трубопровод и представляет собой трубу из нержавеющей стали (футерованную неэлектропроводным материалом), с приваренными к ней фланцами (для фланцевого исполнения); на трубе установлены две катушки индуктивности
(индуктор) и два изолированных от трубы электрода. Электроды и индуктор герметично защищены кожухом, состоящим из двух полуцилиндров, приваренных к двум кольцам, установленным на трубе. К кожуху крепится стойка, на которой размещена плата с клеммами для подключения к преобразователю. В корпусе преобразователя установлены электронный блок, локальный операторский интерфейс ЛОИ (опция), выходные клеммы, клеммы питания и заземления. Принцип действия электромагнитного расходомера основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющемся закону электромагнитной индукции. ЭДС индуцируется в жидкости при пересечении ею магнитного поля, создаваемого катушками индуктивности, и снимается с двух измерительных электродов, контактирующих с жидкостью и расположенных в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и направлению силовых линий магнитного поля. Измеряемая разность потенциалов, прямопропорциональная объемному расходу жидкости, подается в электронный блок преобразователя, где усиливается и обрабатывается, формируя выходные сигналы расходомера.
83
Метод переменного перепада давления
Метод переменного перепада давления является самым распространенным в системах автоматического управления и наиболее изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.
I – I – сечение потока до искажения формы.
II – II – сечение в месте максимального сужения.
Р
п
- потери давления на трение и завихрения.
Р
1
Р
2
Р
I
I
II
II
Р
п
Рис. 1.25. Схема течения
ДМ
Т
Д
Рис. 1.26. Комплект расходомера
84
Разность давлений Р
1
– Р
2
нелинейно зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод: где K – коэффициент, зависящий от сечения трубы, вязкости жидкости, шероховатости стенок. В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Р
п меньше. Еще меньше потери Р
п в сопле Вентури.
Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов (рис. 1.26): сужающее устройство (Д), импульсные трубки
(Т), дифманометр (ДМ). В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа «Сапфир - 22ДД». Т. к. зависимость между расходом и перепадом давления нелинейна, то либо используется нелинейная шкала показывающего прибора, либо специальные устройства извлечения корня из поступающего с ДМ сигнала.
85
Лекция №10
Уровнемеры. Методы и приборы для измерения уровня.
Уровня o
Поплавковые o
Ёмкостные o
Радарные o
Ультразвуковые
Для измерения уровня жидкостей может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ.
Поскольку воздух является диэлектриком, а жидкость имеет электрическое сопротивление, то, например, с увеличением уровня сопротивление среды между электродами пропорционально падает.
Рис. 1.27. Уровнемер
L
Рис. 1.28. Уровнемер
86
Радиоволновые уровнемеры (рис. 1.28) предназначены для бесконтактного измерения и сигнализации уровня жидкости и сыпучих материалов путем облучения контролируемой среды радиоволнами.
В результате обработки параметров отраженной радиоволны выделяется сигнал, пропорциональный расстоянию от датчика до поверхности L.
Достоинства уровнемеров: надежность, температурная стабильность, отсутствие контакта с измеряемым продуктом, компактность и т.д.
Методы и приборы для измерения уровня
ЧТО НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ ПРИ ВЫБОРЕ УРОВНЕМЕРА?
Добиться экономической эффективности при использовании уровнемера можно только при правильном выборе метода измерения, соответствующего реальным условиям применения. Каждый метод обладает характеристиками и возможностями, которые необходимо тщательно рассмотреть прежде, чем сделать окончательный выбор.
Для правильного и грамотного выбора уровнемера необходимо учитывать следующие факторы: переменная, которая подлежит рассмотрению (уровень, масса, плотность, граница раздела сред, аварийный сигнал); требуемая (достаточная) погрешность измерений; условия внутри резервуара; характеристики измеряемого продукта; требования, предъявляемые к прибору, параметрам выходных сигналов, мощности источника электропитания и т.д.; требования по безопасности.
При выборе средств измерений уровня учитывается:
1. Вид контролируемой среды:
Жидкости
Вязкие/пастообразные среды
Сыпучие материалы
Кусковые материалы
2. Свойства контролируемого продукта:
Химическая активность
Удельный вес
Вязкость
Электрическая проводимость
87
Диэлектрическая проницаемость
Влажность
Взрывоопасность
Температура
Давление
3. Диапазон измерений уровня
4. Необходимость дистанционной передачи показаний
5. Вид контролируемой емкости (резервуара):
Открытые
Закрытые с низким давлением
Закрытые с высоким давлением
Вертикальные
Горизонтальные
Цилиндрические
Сферические
6. Условия применения:
Наличие паров
Наличие пены
Турбулентность
Возможность изменения плотности/диэлектрической проницаемости среды
Возмущения на поверхности, их причина
Требования к взрывозащите и пожарной безопасности
7. Условия монтажа прибора:
Размещение уровнемера в выносной камере
Через запорную арматуру
Верхний или боковой монтаж; положение, длина и диаметр монтажного патрубка
Наличие потоков среды при наливе
Конструкции внутри резервуара (мешалки, лестницы и т.д.)
Размеры ______________резервуара
Профиль дна резервуара
Радарный уровнемер
88
Принцип измерений
Уровень жидкости измеряется короткими радарными импульсами, которые передаются от антенны, находящейся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости. Когда импульс радара достигает поверхности среды, часть энергии отражается обратно в уровнемер. Разница во времени между переданным и отраженным импульсом пропорциональна расстоянию, на основе которого рассчитывается уровень. Используемая технология обработки сигнала обеспечивает высокоэффективное подавление ложных отражений, а также помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта и загрязнениями антенны. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень продукта в резервуаре.
Типовые варианты применения
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЙ
Рис.4а. Рис.4б. Рис.4в.
Складские/Накопительные резервуары (рис.4а)
Уровнемеры серии
5400 применяются для измерений в складских/накопительных резервуарах, а также резервуарах с узким патрубком.
Как правило, складские и накопительные резервуары имеют спокойную или слабо
89 возмущенную поверхность среды, что является наиболее благоприятными условиями для работы.
Технологические резервуары (рис.4б)
Высокая способность слежения за поверхностью позволяет уровнемеру работать в сложных условиях технологического процесса. Поверхность в технологических резервуарах может быть возмущенной из/за работы мешалок, слива/налива или других процессов. Также в резервуарах могут присутствовать парообразные или пенистые вещества.
Трубы (рис.4в)
Установка успокоительных труб рекомендуется при чрезвычайно возмущенных условиях и для веществ с низкой диэлектрической постоянной.
Использование трубы уменьшает вспенивание и турбулентность, а также улучшает качество отраженного сигнала от поверхности. Установка трубы целесообразна для резервуаров со сжиженным газом, где иногда наблюдается кипение поверхности.
Интеграция в систему с использованием HARTLпротокола или
FoundationТМ Fieldbus
Ультразвуковые уровнемеры
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЙ
Рис.2. Примеры установки уровнемеров серии 3100.
Уровнемеры Rosemount серии 3100 построены на основе ультразвуковой технологии и предназначены для измерения уровня различных жидкостей.
90
Ультразвуковые импульсы излучателя уровнемера отражаются от поверхности жидкости. Уровнемер улавливает отраженные эхо/сигналы и измеряет временной интервал между передачей излученного и приемом отраженного сигналов.
На основании этого временного интервала рассчитывается расстояние до поверхности жидкости. Расстояние = Скорость звука в воздухе х (Временной интервал/2)
Встроенный датчик температуры непрерывно измеряет температуру в пространстве над жидкостью. Уровнемер использует значение температуры при расчете скорости звука в воздухе, компенсируя таким образом влияние температуры на измеряемое расстояние. Модели 3102 и 3105 дополнительно могут оснащаться выносными датчиками температуры для обеспечения динамической температурной компенсации. Такие датчики температуры используются при быстром изменении температуры в незаполненном объёме резервуара либо при наличии неверных показаний встроенного датчика температуры. При подключении выносного датчика температуры встроенный датчик автоматически отключается.
Горизонтальная емкость. Водосборник
91
Волноводный уровнемер
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЙ
Rosemount серии 5300 / это двухпроводный волноводный уровнемер для измерения уровня и уровня границы раздела жидкостей, а также уровня суспензий и твердых сыпучих сред. Rosemount серии 5300 обеспечивает высокую надежность, современные меры обеспечения безопасности, простоту использования и неограниченные возможности подключения и интеграции в системы АСУ.
Принцип действия волноводного уровнемера Rosemount серии 5300 основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR = Time Domain
Reflectometry) (см. рис.1). Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении.
Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо/сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред.
Интенсивность отраженного эхо/сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости,
92 тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. В уровнемере серии 5300 для удобства применения и обслуживания в различных условиях использованы следующие принципы и конструкторские решения: модульность конструкций; усовершенствованная аналоговая и цифровая обработка сигнала; возможность использования зондов нескольких типов в зависимости от условий применения уровнемера; подключение двухпроводным кабелем (питание подаётся по сигнальному контуру); поддержка коммуникационного цифрового протокола HART®, что обеспечивает вывод данных в цифровом виде и возможность дистанционной настройки прибора при помощи портативного коммуникатора модели 375 либо персонального компьютера с установленным программным обеспечением
Rosemount Radar Master или AMS и HART/модемом; поддержка Foundation™ Fieldbus.
Поскольку радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими патрубками.
Точность и надежность измерений двух параметров одним уровнемером: уровня верхней среды и уровня границы раздела двух сред обеспечивается цифровой обработкой сигнала микропроцессорной электроникой уровнемера.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЙ
Rosemount серии 5300 предлагает преимущества как никогда надежных и достоверных измерений в широком спектре применений. Уровнемеры серии 5300 подходят для применений во многих перерабатывающих отраслях, нефтяной и газовой, нефтехимической, химической, энергетической отраслях, при очистке воды и переработке отходов. Волноводная технология, реализованная в серии
93 5300 совместно с инновационными инженерными разработками, делает его устойчивым к воздействию изменяющихся технологических условий. Серия уровнемеров 5300 практически не имеет ограничений по установке.
Сыпучие материалы (рис.4а)
Модель 5303 с гибким однопроводным зондом разработана для измерений сыпучих материалов с малыми значениями диэлектрической постоянной (до 1.4).
Имеются зонды для высоких растягивающих (весовых) нагрузок. 5300 подходит для измерений порошковых материалов, таких как цемент, зольная пыль, гранул, пластиковых материалов, таких как поливинилхлорид, зерна, круп и т.д. Диапазон измерений составляет до 50 м.
Измерение в баках с турбулентностью, паром и внутренними конструкциями (рис.4б)
Rosemount серии 5300 непрерывно предоставляет сведения об уровне, в таких условиях, где другие устройства могли бы выйти из строя. Благодаря запатентованной технологии прямого переключения, полученный сигнал в два / пять раз сильнее по сравнению с другими волноводными уровнемерами.
Результатом является наивысшая способность к работе при наличии создающих помехи объектов, налипаний на зонде, пены, пара и турбулентности.
Минимизация риска в наиболее жестких условиях эксплуатации (рис.4в)
Rosemount серии 5300 с надежной конструкцией зондов для экстремальных условий (высокое давление и температура) обеспечивает измерения с высокой достоверностью в резервуарах или байпасных камерах. Примерами могут быть ректификационные колонны, нефтеперерабатывающие установки и т.д. На проведение измерений не оказывают влияние колебания плотности среды с низкой отражательной способностью или конструкция байпасных камер.
Лучшие характеристики при измерении сжиженных газов (рис. 4г)
Rosemount серии 5300 превосходно подходит для применений с сжиженными газами, так как блок электроники уровнемера можно обслуживать и снимать, не нарушая герметичности резервуара. Широкие диапазоны измерений допускают работу в больших резервуарах с сжиженными нефтяными газами, газоконденсатном и аммиаком.
Уровнемеры серии 5300 также применимы для процессов с турбулентностью и перемешиванием сред.
Одновременное измерение уровня и уровня границы раздела двух сред (рис.
4д)
При использовании одного уровнемера Rosemount серии 5300 возможно измерить и уровень верхней среды и уровень границы раздела двух сред.
Примерами таких применений являются сепараторы, отстойники и т.д. Таким
94 образом, можно избежать применения дополнительного оборудования на резервуаре. Используйте уровнемеры
Rosemount серии 5300 с однопроводным зондом для надёжных измерений сред, склонных к налипанию, таких как сырая нефть.
Преимущества при работе на подземных установках (рис.4е)
Зонды, применяемые в уровнемерах Rosemount серии 5300, подходят для установки и работы в высоких и узких установочных патрубках или с расположенными вблизи объектами. Это дает возможность уровнемеру работать в подземных резервуарах, где место для установки оборудования обычно ограничено.
Датчики гидростатического давления (уровня)
95
КОНСТРУКЦИЯ
1 / Цельносварная, герметичная конструкция корпуса датчика из нержавеющей стали 316L защищает электронику от пыли, влаги и вредных примесей
2 L Емкостная ячейка, выполненная по сенсорной технологии SaturnTM.
3 L Разделительные мембраны платформы CoplanarTM. Мембраны могут быть выполнены из различных материалов, в т.ч. сплавов для работы в агрессивных средах.
4 L Штепсельный разъем. Выходные сигналы: 4/20 мA с HART/протоколом.
Высокоскоростная шина данных для подключения плат расширения
(например, для выходного сигнала Foundation Fieldbus).
5 L Электронная плата.
Сигнализаторы уровня
96
Сигнализаторы уровня Rosemount моделей 2110 и 2120 предназначены для контроля уровня различных видов жидкостей. Полный ассортимент технологических соединений, широкий выбор материалов для изготовления корпуса и частей, контактирующих с технологической средой, четыре различных режима работы, возможность заказа сигнализатора с удлиненными вибрационными вилками, наличие сертификатов для работы в опасных зонах позволяют выбрать сигнализатор практически для всех применений.
Принцип работы
Сигнализаторы 2110 и 2120 разработаны с использованием принципа камертона. Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создает колебания чувствительной вибрационной вилки с частотой 1300 Гц. Изменения этой частоты отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость (состояние «мокрый контакт») частота колебаний вилки уменьшается, что приводит к переключению контактов сигнализатора.
Аналогично при снижении уровня жидкости вилка переходит в состояние «сухой контакт», при этом частота колебаний вилки увеличивается, что приводит к обратному переключению контактов. Сигнал об изменении состояния контактов подается в систему управления или на исполнительные механизмы (насосы, клапаны и т.п.).
Конструктивные особенности
Сигнализаторы уровня жидкостей серии 2110 и 2120 состоят из корпуса, соединения с резервуаром и чувствительного элемента вибрационной вилки.
Соединение с резервуаром и вилка / это единственные части, контактирующие с технологической средой. Рабочая частота вилки 1300 Гц выбрана для того, чтобы избежать возможных помех в работе сигнализатора и ложного переключения при возможном возникновении вибраций (резонанса частот) от производственного оборудования. Для повышения жесткости и надежности конструкции для стандартного исполнения выбрана короткая длина вилки (всего
44 мм), чтобы погружаемая в трубопровод или резервуар часть сигнализатора
97 была минимальной.
Сигнализатор 2110 (рис.1)
Корпус сигнализатора 2110 выполнен из нержавеющей стали и имеет окно для тактового светодиода. Также сигнализатор имеет 4/х позиционный разъем для подключения кабеля питания (поставляется в комплекте с кабельным уплотнением).
98
1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Расходомеры электромагнитные серии Rosemount 8700 предназначены для измерений объемного расхода электропроводных жидкостей, пульп, суспензий и т.п.
82
Используются в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в энергетике, химической, пищевой, бумажной и других отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей.
Основные преимущества:
применение для измерения расхода агрессивных сред;
широкий размерный ряд;
различные материалы электродов и футеровок;
высокая точность измерений;
отсутствие движущихся частей;
малые потери давления;
прямолинейный участок трубопровода до расходомера 5Dу, после расходомера 2Dу.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Расходомеры электромагнитные состоят из датчика расхода и преобразователя.
Датчик расхода устанавливается непосредственно в трубопровод и представляет собой трубу из нержавеющей стали (футерованную неэлектропроводным материалом), с приваренными к ней фланцами (для фланцевого исполнения); на трубе установлены две катушки индуктивности
(индуктор) и два изолированных от трубы электрода. Электроды и индуктор герметично защищены кожухом, состоящим из двух полуцилиндров, приваренных к двум кольцам, установленным на трубе. К кожуху крепится стойка, на которой размещена плата с клеммами для подключения к преобразователю. В корпусе преобразователя установлены электронный блок, локальный операторский интерфейс ЛОИ (опция), выходные клеммы, клеммы питания и заземления. Принцип действия электромагнитного расходомера основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющемся закону электромагнитной индукции. ЭДС индуцируется в жидкости при пересечении ею магнитного поля, создаваемого катушками индуктивности, и снимается с двух измерительных электродов, контактирующих с жидкостью и расположенных в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и направлению силовых линий магнитного поля. Измеряемая разность потенциалов, прямопропорциональная объемному расходу жидкости, подается в электронный блок преобразователя, где усиливается и обрабатывается, формируя выходные сигналы расходомера.
83
Метод переменного перепада давления
Метод переменного перепада давления является самым распространенным в системах автоматического управления и наиболее изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.
I – I – сечение потока до искажения формы.
II – II – сечение в месте максимального сужения.
Р
п
- потери давления на трение и завихрения.
Р
1
Р
2
Р
I
I
II
II
Р
п
Рис. 1.25. Схема течения
ДМ
Т
Д
Рис. 1.26. Комплект расходомера
84
Разность давлений Р
1
– Р
2
нелинейно зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод: где K – коэффициент, зависящий от сечения трубы, вязкости жидкости, шероховатости стенок. В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Р
п меньше. Еще меньше потери Р
п в сопле Вентури.
Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов (рис. 1.26): сужающее устройство (Д), импульсные трубки
(Т), дифманометр (ДМ). В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа «Сапфир - 22ДД». Т. к. зависимость между расходом и перепадом давления нелинейна, то либо используется нелинейная шкала показывающего прибора, либо специальные устройства извлечения корня из поступающего с ДМ сигнала.
85
Лекция №10
Уровнемеры. Методы и приборы для измерения уровня.
Уровня o
Поплавковые o
Ёмкостные o
Радарные o
Ультразвуковые
Для измерения уровня жидкостей может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ.
Поскольку воздух является диэлектриком, а жидкость имеет электрическое сопротивление, то, например, с увеличением уровня сопротивление среды между электродами пропорционально падает.
Рис. 1.27. Уровнемер
L
Рис. 1.28. Уровнемер
86
Радиоволновые уровнемеры (рис. 1.28) предназначены для бесконтактного измерения и сигнализации уровня жидкости и сыпучих материалов путем облучения контролируемой среды радиоволнами.
В результате обработки параметров отраженной радиоволны выделяется сигнал, пропорциональный расстоянию от датчика до поверхности L.
Достоинства уровнемеров: надежность, температурная стабильность, отсутствие контакта с измеряемым продуктом, компактность и т.д.
Методы и приборы для измерения уровня
ЧТО НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ ПРИ ВЫБОРЕ УРОВНЕМЕРА?
Добиться экономической эффективности при использовании уровнемера можно только при правильном выборе метода измерения, соответствующего реальным условиям применения. Каждый метод обладает характеристиками и возможностями, которые необходимо тщательно рассмотреть прежде, чем сделать окончательный выбор.
Для правильного и грамотного выбора уровнемера необходимо учитывать следующие факторы: переменная, которая подлежит рассмотрению (уровень, масса, плотность, граница раздела сред, аварийный сигнал); требуемая (достаточная) погрешность измерений; условия внутри резервуара; характеристики измеряемого продукта; требования, предъявляемые к прибору, параметрам выходных сигналов, мощности источника электропитания и т.д.; требования по безопасности.
При выборе средств измерений уровня учитывается:
1. Вид контролируемой среды:
Жидкости
Вязкие/пастообразные среды
Сыпучие материалы
Кусковые материалы
2. Свойства контролируемого продукта:
Химическая активность
Удельный вес
Вязкость
Электрическая проводимость
87
Диэлектрическая проницаемость
Влажность
Взрывоопасность
Температура
Давление
3. Диапазон измерений уровня
4. Необходимость дистанционной передачи показаний
5. Вид контролируемой емкости (резервуара):
Открытые
Закрытые с низким давлением
Закрытые с высоким давлением
Вертикальные
Горизонтальные
Цилиндрические
Сферические
6. Условия применения:
Наличие паров
Наличие пены
Турбулентность
Возможность изменения плотности/диэлектрической проницаемости среды
Возмущения на поверхности, их причина
Требования к взрывозащите и пожарной безопасности
7. Условия монтажа прибора:
Размещение уровнемера в выносной камере
Через запорную арматуру
Верхний или боковой монтаж; положение, длина и диаметр монтажного патрубка
Наличие потоков среды при наливе
Конструкции внутри резервуара (мешалки, лестницы и т.д.)
Размеры ______________резервуара
Профиль дна резервуара
Радарный уровнемер
88
Принцип измерений
Уровень жидкости измеряется короткими радарными импульсами, которые передаются от антенны, находящейся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости. Когда импульс радара достигает поверхности среды, часть энергии отражается обратно в уровнемер. Разница во времени между переданным и отраженным импульсом пропорциональна расстоянию, на основе которого рассчитывается уровень. Используемая технология обработки сигнала обеспечивает высокоэффективное подавление ложных отражений, а также помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта и загрязнениями антенны. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень продукта в резервуаре.
Типовые варианты применения
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЙ
Рис.4а. Рис.4б. Рис.4в.
Складские/Накопительные резервуары (рис.4а)
Уровнемеры серии
5400 применяются для измерений в складских/накопительных резервуарах, а также резервуарах с узким патрубком.
Как правило, складские и накопительные резервуары имеют спокойную или слабо
89 возмущенную поверхность среды, что является наиболее благоприятными условиями для работы.
Технологические резервуары (рис.4б)
Высокая способность слежения за поверхностью позволяет уровнемеру работать в сложных условиях технологического процесса. Поверхность в технологических резервуарах может быть возмущенной из/за работы мешалок, слива/налива или других процессов. Также в резервуарах могут присутствовать парообразные или пенистые вещества.
Трубы (рис.4в)
Установка успокоительных труб рекомендуется при чрезвычайно возмущенных условиях и для веществ с низкой диэлектрической постоянной.
Использование трубы уменьшает вспенивание и турбулентность, а также улучшает качество отраженного сигнала от поверхности. Установка трубы целесообразна для резервуаров со сжиженным газом, где иногда наблюдается кипение поверхности.
Интеграция в систему с использованием HARTLпротокола или
FoundationТМ Fieldbus
Ультразвуковые уровнемеры
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЙ
Рис.2. Примеры установки уровнемеров серии 3100.
Уровнемеры Rosemount серии 3100 построены на основе ультразвуковой технологии и предназначены для измерения уровня различных жидкостей.
90
Ультразвуковые импульсы излучателя уровнемера отражаются от поверхности жидкости. Уровнемер улавливает отраженные эхо/сигналы и измеряет временной интервал между передачей излученного и приемом отраженного сигналов.
На основании этого временного интервала рассчитывается расстояние до поверхности жидкости. Расстояние = Скорость звука в воздухе х (Временной интервал/2)
Встроенный датчик температуры непрерывно измеряет температуру в пространстве над жидкостью. Уровнемер использует значение температуры при расчете скорости звука в воздухе, компенсируя таким образом влияние температуры на измеряемое расстояние. Модели 3102 и 3105 дополнительно могут оснащаться выносными датчиками температуры для обеспечения динамической температурной компенсации. Такие датчики температуры используются при быстром изменении температуры в незаполненном объёме резервуара либо при наличии неверных показаний встроенного датчика температуры. При подключении выносного датчика температуры встроенный датчик автоматически отключается.
Горизонтальная емкость. Водосборник
91
Волноводный уровнемер
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЙ
Rosemount серии 5300 / это двухпроводный волноводный уровнемер для измерения уровня и уровня границы раздела жидкостей, а также уровня суспензий и твердых сыпучих сред. Rosemount серии 5300 обеспечивает высокую надежность, современные меры обеспечения безопасности, простоту использования и неограниченные возможности подключения и интеграции в системы АСУ.
Принцип действия волноводного уровнемера Rosemount серии 5300 основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR = Time Domain
Reflectometry) (см. рис.1). Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении.
Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо/сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред.
Интенсивность отраженного эхо/сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости,
92 тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. В уровнемере серии 5300 для удобства применения и обслуживания в различных условиях использованы следующие принципы и конструкторские решения: модульность конструкций; усовершенствованная аналоговая и цифровая обработка сигнала; возможность использования зондов нескольких типов в зависимости от условий применения уровнемера; подключение двухпроводным кабелем (питание подаётся по сигнальному контуру); поддержка коммуникационного цифрового протокола HART®, что обеспечивает вывод данных в цифровом виде и возможность дистанционной настройки прибора при помощи портативного коммуникатора модели 375 либо персонального компьютера с установленным программным обеспечением
Rosemount Radar Master или AMS и HART/модемом; поддержка Foundation™ Fieldbus.
Поскольку радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими патрубками.
Точность и надежность измерений двух параметров одним уровнемером: уровня верхней среды и уровня границы раздела двух сред обеспечивается цифровой обработкой сигнала микропроцессорной электроникой уровнемера.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЙ
Rosemount серии 5300 предлагает преимущества как никогда надежных и достоверных измерений в широком спектре применений. Уровнемеры серии 5300 подходят для применений во многих перерабатывающих отраслях, нефтяной и газовой, нефтехимической, химической, энергетической отраслях, при очистке воды и переработке отходов. Волноводная технология, реализованная в серии
93 5300 совместно с инновационными инженерными разработками, делает его устойчивым к воздействию изменяющихся технологических условий. Серия уровнемеров 5300 практически не имеет ограничений по установке.
Сыпучие материалы (рис.4а)
Модель 5303 с гибким однопроводным зондом разработана для измерений сыпучих материалов с малыми значениями диэлектрической постоянной (до 1.4).
Имеются зонды для высоких растягивающих (весовых) нагрузок. 5300 подходит для измерений порошковых материалов, таких как цемент, зольная пыль, гранул, пластиковых материалов, таких как поливинилхлорид, зерна, круп и т.д. Диапазон измерений составляет до 50 м.
Измерение в баках с турбулентностью, паром и внутренними конструкциями (рис.4б)
Rosemount серии 5300 непрерывно предоставляет сведения об уровне, в таких условиях, где другие устройства могли бы выйти из строя. Благодаря запатентованной технологии прямого переключения, полученный сигнал в два / пять раз сильнее по сравнению с другими волноводными уровнемерами.
Результатом является наивысшая способность к работе при наличии создающих помехи объектов, налипаний на зонде, пены, пара и турбулентности.
Минимизация риска в наиболее жестких условиях эксплуатации (рис.4в)
Rosemount серии 5300 с надежной конструкцией зондов для экстремальных условий (высокое давление и температура) обеспечивает измерения с высокой достоверностью в резервуарах или байпасных камерах. Примерами могут быть ректификационные колонны, нефтеперерабатывающие установки и т.д. На проведение измерений не оказывают влияние колебания плотности среды с низкой отражательной способностью или конструкция байпасных камер.
Лучшие характеристики при измерении сжиженных газов (рис. 4г)
Rosemount серии 5300 превосходно подходит для применений с сжиженными газами, так как блок электроники уровнемера можно обслуживать и снимать, не нарушая герметичности резервуара. Широкие диапазоны измерений допускают работу в больших резервуарах с сжиженными нефтяными газами, газоконденсатном и аммиаком.
Уровнемеры серии 5300 также применимы для процессов с турбулентностью и перемешиванием сред.
Одновременное измерение уровня и уровня границы раздела двух сред (рис.
4д)
При использовании одного уровнемера Rosemount серии 5300 возможно измерить и уровень верхней среды и уровень границы раздела двух сред.
Примерами таких применений являются сепараторы, отстойники и т.д. Таким
94 образом, можно избежать применения дополнительного оборудования на резервуаре. Используйте уровнемеры
Rosemount серии 5300 с однопроводным зондом для надёжных измерений сред, склонных к налипанию, таких как сырая нефть.
Преимущества при работе на подземных установках (рис.4е)
Зонды, применяемые в уровнемерах Rosemount серии 5300, подходят для установки и работы в высоких и узких установочных патрубках или с расположенными вблизи объектами. Это дает возможность уровнемеру работать в подземных резервуарах, где место для установки оборудования обычно ограничено.
Датчики гидростатического давления (уровня)
95
КОНСТРУКЦИЯ
1 / Цельносварная, герметичная конструкция корпуса датчика из нержавеющей стали 316L защищает электронику от пыли, влаги и вредных примесей
2 L Емкостная ячейка, выполненная по сенсорной технологии SaturnTM.
3 L Разделительные мембраны платформы CoplanarTM. Мембраны могут быть выполнены из различных материалов, в т.ч. сплавов для работы в агрессивных средах.
4 L Штепсельный разъем. Выходные сигналы: 4/20 мA с HART/протоколом.
Высокоскоростная шина данных для подключения плат расширения
(например, для выходного сигнала Foundation Fieldbus).
5 L Электронная плата.
Сигнализаторы уровня
96
Сигнализаторы уровня Rosemount моделей 2110 и 2120 предназначены для контроля уровня различных видов жидкостей. Полный ассортимент технологических соединений, широкий выбор материалов для изготовления корпуса и частей, контактирующих с технологической средой, четыре различных режима работы, возможность заказа сигнализатора с удлиненными вибрационными вилками, наличие сертификатов для работы в опасных зонах позволяют выбрать сигнализатор практически для всех применений.
Принцип работы
Сигнализаторы 2110 и 2120 разработаны с использованием принципа камертона. Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создает колебания чувствительной вибрационной вилки с частотой 1300 Гц. Изменения этой частоты отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость (состояние «мокрый контакт») частота колебаний вилки уменьшается, что приводит к переключению контактов сигнализатора.
Аналогично при снижении уровня жидкости вилка переходит в состояние «сухой контакт», при этом частота колебаний вилки увеличивается, что приводит к обратному переключению контактов. Сигнал об изменении состояния контактов подается в систему управления или на исполнительные механизмы (насосы, клапаны и т.п.).
Конструктивные особенности
Сигнализаторы уровня жидкостей серии 2110 и 2120 состоят из корпуса, соединения с резервуаром и чувствительного элемента вибрационной вилки.
Соединение с резервуаром и вилка / это единственные части, контактирующие с технологической средой. Рабочая частота вилки 1300 Гц выбрана для того, чтобы избежать возможных помех в работе сигнализатора и ложного переключения при возможном возникновении вибраций (резонанса частот) от производственного оборудования. Для повышения жесткости и надежности конструкции для стандартного исполнения выбрана короткая длина вилки (всего
44 мм), чтобы погружаемая в трубопровод или резервуар часть сигнализатора
97 была минимальной.
Сигнализатор 2110 (рис.1)
Корпус сигнализатора 2110 выполнен из нержавеющей стали и имеет окно для тактового светодиода. Также сигнализатор имеет 4/х позиционный разъем для подключения кабеля питания (поставляется в комплекте с кабельным уплотнением).
98
1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Лекция №11
Измерение электрических величин. Приборы сравнения. Приборы
непосредственной оценки.
Измерение электрических величин. Приборы непосредственной оценки.
Системы электроизмерительных приборов
Электроизмерительные приборы разделяют на приборы: а) непосредственной оценки; б) сравнения – определяющие значение величины путем сравнения ее с заранее известной величиной.
По характеру измерения: стационарные и переносные.
Приборы непосредственной оценки преобразуют измеряемую электрическую величину в показания прибора, то есть используют энергию измеряемого параметра для отображения, например, для перемещения стрелки вдоль шкалы. При измерении электрических величин в этих приборах используются различные принципы, в зависимости от которых тот или иной прибор относят к соответствующей системе. Условное обозначение системы можно найти на шкале прибора. Выделяют четыре системы:
– магнитоэлектрическая система - на шкалах приборов этой системы изображен символ, показанный на рис. 1.29 а.
– электромагнитная система – символ показан на рис. 1.29 б;
– электродинамическая (рис. 1.29 в);
– индукционная.
На шкалах электроизмерительных приборов можно найти также другие обозначения (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов
а) б) в)
Рис. 1.29. Символы
99
Символ
Значение
Обозначения рода измеряемого тока
постоянный ток постоянный и переменный ток переменный ток трехфазный ток
Единицы измерения электрической величины
А, mА,
А сила тока: Амперы, миллиамперы, микроамперы
V, mV напряжение: Вольты, милливольты
W, kW электрическая активная мощность: Ватты (Вт), килоВатты (кВт)
kWh
электроэнергия: килоВатт-часы (кВт*час)
сдвиг фаз
Hz
частота тока: Герцы (Гц)
, М
электрическое сопротивление: Омы, мегаОмы
Рабочее положение прибора
60
расположение под указанным углом
вертикальное расположение горизонтальное расположение
Прочие символы
класс точности измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 2000 В
Приборы магнитоэлектрической системы
В конструкции приборов магнитоэлектрической системы можно выделить магнитную и подвижную системы (рис. 1.30). Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля.
2