Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Технические измерения и приборы. Часть 1. Измерение теплоэнергетических параметров: Учебное пособие

Голосов: 10

Учебное пособие предназначено для изучения принципа действия и устройства приборов контроля основных теплоэнергетических параметров химико-технологических процессов: температуры, расхода, давления и уровня.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    зервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уров-
немера приведена на рис. 5.10.

                                                П
         П
                                Д
                                               Ризб
       Ризб


                     _                                     _
                            +                                  +
                                ДД                                 ДД

                                                      б)
              а)
                   Рис. 5.10. Пьезометрический уровнемер:
                       а – стандартная схема измерения;
               б – схема измерения для агрессивных жидкостей


       Его работа основана на принципе гидравлического затвора. Пьезо-
метрическая трубка П размещается в аппарате, в котором измеряется уро-
вень. Для измерения уровня используют воздух или инертный газ под дав-
лением Pп, который продувают через слой жидкости. Газ поступает в труб-
ку через дроссель Д, служащий для ограничения расхода. Давление P газа
после дросселя измеряется дифманометром ДД.
       При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно по-
вышается до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости
высотой H плюс давление над жидкостью Pизб (если имеется). Когда давле-
ние в трубке станет равным сумме этих давлений, из нижнего открытого
конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ
покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно один пузырек в
секунду).
       Уровень жидкости определяется по установившемуся давлению (P–
Pизб) в системе:
                             P – Pизб = H ρж g,
где Pизб – избыточное давление в аппарате (в частном случае Pизб= Pатм).
       Отсюда
                                         P − Pизб
                                    H=            .                     (5.6)
                                          ρж g



                                         171


     В случае измерения уровня в сосудах, заполненных агрессивными
жидкостями и газами (рис.5.10, б) обязателен непрерывный подвод воздуха
или инертного газа в обе линии, подсоединяемые к дифференциальному
манометру. Для наблюдения за непрерывностью на каждой линии устанав-
ливают стеклянные контрольные сосуды КС с водяным затвором, по кото-
рому видно движение воздуха, или ротаметры. Количество подводимого
воздуха устанавливают регулирующими вентилями РВ.

      5.3.5. Электрические уровнемеры
       В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в
какой-либо электрический сигнал. Наиболее распространены емкостные и
омические уровнемеры.
      Работа емкостных уровнемеров основана на том, что диэлектриче-
ская проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается
от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.
      Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис.5.11.
                                             В сосуд с жидкостью, уровень
                                     которой необходимо измерить, опу-
                                     щен преобразователь, представляю-
                                     щий собой электрический конденса-
                                     тор, емкость которого зависит от
                                     уровня жидкости. Преобразователи
                                     выполняют цилиндрического и пла-
                                     стинчатого типов, а также в виде
                                     жесткого стержня. Цилиндрический
                                     емкостной преобразователь выпол-
                                     нен из двух или нескольких концен-
                                     трично расположенных труб, между
                                     которыми находится слой жидкости
   Рис.5.11. Емкостный уровнемер:
                                     высотой h. Емкость преобразователя
            1, 2 - электроды;
          3-электронный блок         равна сумме емкостей двух участков
                                     - погруженного в жидкость с ди-
электрической проницаемостью εж и находящегося в среде с диэлектриче-
ской проницаемостью εср (для воздуха εср=1).
      Емкость цилиндрического емкостного преобразователя равна:
                                      ε ж h + ε ср ( H − h)
                    C = Ch + C H −h = 0.24                 ,
                                             lg( D / d )


                                      172


где D и d - наружный и внутренний диаметр труб преобразователя, Н –
высота емкости; h – измеряемый уровень.
      При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидко-
стей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов
или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свой-
ства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими плен-
ками применяют также при измерении уровня электропроводных жидко-
стей.
      Омические уровнемеры используют главным образом для сигнали-
зации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жид-
костей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи
источника питания через контролируемую среду, представляющую собой
участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением.
Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь
между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения ре-
лейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа
объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 5.12, а показана схема
включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля
одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один про-
вод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 5.12, б) их требуется уже по
два.




                   а)                         б)
                Рис. 5.12. Омические сигнализаторы уровня:
                      а – одного уровня; б – двух уровней.
         1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 –источник питания
      В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы
и угольные электроды (агрессивные жидкости).

                                   173


     Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность
их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые
осадки и налипающих на электроды преобразователей.

      5.3.6. Радиоизотопные уровнемеры
     Уровнемеры с радиоизотопными излучателями делятся на две группы:
     1) со следящей системой, для непрерывного измерения уровня;
     2) сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного зна-
    чения.
      Принципиальная схема следящего уровнемера приведена на рис.
5.13. Действие прибора основано на сравнении интенсивностей потоков γ -
лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плот-
ности. Комплект прибора состоит из трех блоков:
      1) преобразователя, содержащего источник и приемник излучения;
      2) электронного блока;
      3) показывающего прибора.
      Преобразователь на фланцах 4 присоединен к вертикальным труб-
кам 2, установленным внутри объекта измерения. Расположенный в герме-
тичном корпусе преобразователя реверсивный двигатель 6 через червяч-
ную передачу 7 вращает барабан 8, на котором укреплена стальная лента 3.
На концах ленты свободно висят источник излучения 1 и приемник излу-
чения 13. Электрический сигнал от приемника излучения через гибкий ка-
бель 11 передается на электронный блок. При перемещении приемника ка-
бель фиксируется в определенном положении при помощи ролика 14 с
грузом. Лента 3 проходит через зубчатый ролик 9, на оси которого распо-
ложен первичный сельсин 10.


                                    Рис.5.13. Радиоизотопный уровнемер:
                                       1-источник излучения; 2-трубки; 3-
                                    стальная лента; 4-фланцы; 5-свинцовый
                                    контейнер; 6-реверсивный двигатель; 7-
                                        червячная передача; 8-барабан; 9-
                                    зубчатый ролик; 10-первичный сельсин;
                                      11-гибкий кабель; 12-показывающий
                                      прибор; 13-приемник излучения; 14-
                                      ролик с грузом; 15-свинцовая пробка




                                  174


      Вторичный сельсин находится в показывающем приборе. Ось вто-
ричного сельсина через редуктор связана со стрелками показывающего
прибора 12, который имеет две шкалы, градуированные в метрах и санти-
метрах. В показывающем приборе имеется преобразователь, преобразую-
щий угловое перемещение оси вторичного сельсина, пропорциональное
положению уровня, в стандартный пневматический сигнал. Стандартная
индукционная катушка служит для связи с вторичными приборами диффе-
ренциально-трансформаторной системы.
      Для обеспечения радиационной защиты персонала при транспорти-
ровке, монтаже и ремонтных работах внутри объекта измерения источник
излучения перемешается автоматически в свинцовый контейнер 5. Отвер-
стие в контейнере при этом закрывается свинцовой пробкой 15, жестко
связанной с источником. Диапазон измерения уровня прибором до 10 м,
основная погрешность измерения не превышает 1 см.
      Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесо-
образно там, где другие методы измерения непригодны.

      5.3.7. Ультразвуковые уровнемеры
      Ультразвуковые уровнемеры (частота выше 20 КГц) позволяют из-
мерять уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодос-
тупных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется
принцип отражения звуковых волн от границы раздела «жидкость - газ
(воздух)». На рис.5.14 показана измерительная схема ультразвукового
уровнемера, работающего на отражении звука от границы раздела двух
сред.
      Прибор состоит из электронного блока (ЭБ), пьезоэлектрического
излучателя (преобразователя) и вторичного прибора. Электронный блок
состоит из генератора 1, задающего частоту повторения импульсов, гене-
ратора импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилите-
ля 4 и измерителя времени 5.
      Генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения
времени. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пье-
зоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный
в ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в га-
зовой среде, отражается от границы раздела «жидкость – воздух», возвра-
щается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель,



                                  175


и преобразуется в электрический сигнал. Оба импульса: посланный         и
отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель 4.




                                                                   М2


                   3

                                                                   ЭБ
Hmax
       h




       Рис.5.14. Измерительная схема ультразвукового уровнемера:
             1 – задающий генератор; 2 – генератор импульсов;
             3 – пьезоэлектрический излучатель; 4 – усилитель;
               5 – измеритель времени; 6 – вторичный прибор
       Время τ между моментом посылки импульса и моментом поступле-
ния отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уров-
ня, т. е.
                       τ = 2(Нmax – h) / с ,                       (5.7)
где Нmax – максимальный измеряемый уровень; h – текущий уровень; с -
скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.
       Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания
отраженного сигнала (уровню), получаемое в измерителе времени, подает-
ся на вторичный прибор 6.
       Химические и физические свойства среды не влияют на результат
измерения, полученный ультразвуковым методом, поэтому без проблем
может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких ве-
ществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения
ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распро-
странения. Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, ско-
рость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с рос-
том давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфе-

                                     176


ре относительные изменения скорости звука составляют приблизительно
5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от
процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влаж-
ности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влияни-
ем, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница ско-
рости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2%.
      Основные достоинства метода:
      • бесконтактный;
      • применим для загрязнённых жидкостей;
      • реализация метода не предъявляет высоких требований к износо-
        стойкости и прочности оборудования;
      • независимость от плотности контролируемой среды.
      Недостатки:
      • большое расхождение конуса излучения;
      • отражения от нестационарных препятствий (например, мешалок)
        могут вызвать ошибки измерения;
      • применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давле-
        нием;
      • на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

      5.3.8. Радарные уровнемеры
      Существует множество самых различных методов контроля уровня,
позволяющих получать информацию как о предельных его значениях, так
и о текущем значении. Гораздо меньшее число методов реализовано в
промышленных системах. Некоторые из реализованных методов являются
уникальными, и случаи их применения можно пересчитать по пальцам од-
ной руки, другие – гораздо более универсальны и потому широко исполь-
зуются в серийных системах. Но есть и методы, удачно сочетающие в себе
и уникальность, и универсальность. В первую очередь, к ним можно отне-
сти микроволновый бесконтактный метод, в просторечии небезоснова-
тельно именуемый радарным. Этот метод, с одной стороны, обеспечивает
минимальный контакт измерительного устройства с контролируемой сре-
дой, а с другой стороны – практически полностью нечувствителен к изме-
нению её температуры и давления. Причем и температура, и давление мо-
гут иметь значения, недопустимые для применения других методов, в пер-
вую очередь, контактных. Безусловно, уникальность возможностей не мо-
жет не сказываться на цене приборов. Но прогресс в этой области настоль-

                                  177


ко велик, а преимущества метода столь очевидны, что можно достаточно
уверенно прогнозировать очень широкое распространение радарных сис-
тем контроля уровня уже в самом недалеком будущем.
       При всех существующих различиях общим остается принцип дейст-
вия: излучённый СВЧ - сигнал отражается от контролируемого объекта,
принимается обратно и соответствующим образом обрабатывается (рис.
                                    5.15). Результатом обработки являет-
                                    ся значение того или иного парамет-
                                    ра объекта: дальность, скорость, на-
                                    правление движения и т.д. Вне зави-
                                    симости от используемого принципа
                                    в радарных уровнемерах применя-
                                    ются СВЧ - сигналы с несущей час-
                                    тотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до
                                    26 ГГц.
                                           В настоящее время в радарных
                                    системах контроля уровня применя-
                                    ются преимущественно две техноло-
                                    гии: с непрерывным частотно -
   Рис. 5.15. Схема измерения уров-
      ня радарным уровнемером       модулированным          излучением
                                    (FMCW – frequency modulated con-
tinuous wave) и импульсным излучением сигнала.
       Технология FMCW реализует косвенный метод измерения расстоя-
ния. Уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изме-
няется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f0 и f1
(рис. 5.16). Отраженный от поверхности контролируемой среды (жидкость,
сыпучий материал) сигнал принимается той же антенной и обрабатывает-
ся. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный
момент времени. Значение разности частот (Δf) прямо пропорционально
расстоянию до поверхности (l).
       Принцип очень прост, но на пути его практической реализации су-
ществует множество технических и технологических проблем. Одной из
важнейших, непосредственно влияющих на точность измерения, является
обеспечение высокой линейности изменения частоты сигнала и особенно
ее температурной стабильности, поскольку уровнемеры, как правило,
предназначены для эксплуатации в очень широком температурном диапа-
зоне.

                                  178


     f, ГГц
        fmax


           f1
    Δf
           f0

         fmin


                    t0        t1                                      t
                         Δt
          Рис. 5.16. Принцип измерения расстояния при использовании
                              технологии FMCW:
                                   излученный сигнал;
                                   отраженный сигнал

          Идеальными для уровнемера FMCW являются условия, когда по-
верхность контролируемой среды имеет достаточно большую площадь, на
ней отсутствуют какие-либо возмущения, а сам резервуар полностью сво-
боден от каких-либо внутренних конструктивных элементов. Однако ре-
альные условия разительно отличаются от идеальных и привносят допол-
нительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразит-
                                                    ных эхо-сигналов от эле-
f, ГГц                                              ментов конструкции, не-
  fmax                        а б      в г          ровностей      поверхности
                                                    (особенно при контроле
                                                    сыпучих материалов) и
                                                    т.п. (рис. 5.17).
                                                           Кроме того, приём
                                                    и передача сигнала осу-
   fmin                                             ществляются       одновре-
                                                    менно. В результате на
                                                t   входе приёмника уровне-
                                                    мера присутствует слож-
        Рис. 5.17. Паразитные отражения при ис-
                                                    ная смесь сигналов с
            пользовании технологии FMCW:
      а – излученный сигнал; б, в – паразитные эхо- очень большим разбросом
         сигналы; г – полезный отраженный сигнал    по амплитуде. Для выде-


                                        179


ления частот эхо-сигналов применяется алгоритм, основанный на методе
быстрого преобразования Фурье. Для его реализации требуются значи-
тельные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время.
Выделять полезный эхо-сигнал и игнорировать остальные позволяет спе-
циальное программное обеспечение, установленное на сервисном компью-
тере или встроенное в уровнемер.
      В радарах импульсного типа используется метод определения рас-
стояния, основанный на непосредственном измерении времени прохожде-
ния СВЧ - импульса от излучателя до контролируемой поверхности и об-
ратно. В результате для отраженного сигнала применение процедуры бы-
строго преобразования Фурье не требуется. Однако время прохождения
сигналом дистанции в несколько метров составляет всего единицы наносе-
кунд. Поэтому для обеспечения измерения столь малых значений с тре-
буемой точностью все-таки требуется применение специальных методов
обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧ -
сигнала в сигнал промежуточной частоты ультразвукового диапазона. По-
сле такого преобразования к обработке сигналов радарного уровнемера
могут быть легко применимы методы и алгоритмы, используемые в ульт-
развуковых приборах контроля уровня. Радарные уровнемеры импульсно-
го типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, использующи-
ми технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы вне зависи-
мости от природы их источника разнесены во времени, что обеспечивает
их более простое разделение. Во-вторых, среднее энергопотребление им-
пульсных уровнемеров составляет единицы мкВт (пиковая мощность при
излучении СВЧ-импульса составляет около 1 мВт), что позволяет
использовать для их подключения двухпроводную схему с питанием от
измерительной цепи со стандартным токовым сигналом 4-20 мА; в
приборах, работающих по технологии FMCW, энергопотребление
существенно выше из-за непрерывного характера излучения, а также
постоянно выполняемой математической обработки эхо-сигнала. И, в-
третьих, в импульсных уровнемерах электроника для выполнения
первичной обработки сигнала проще, а сама обработка выполняется
исключительно аппаратными средствами; в результате благодаря
меньшему числу комплектующих надёжность прибора получается
потенциально выше.




                                 180



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика