Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы.

Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.

Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Таблица 4.1.

Соотношение температурной шкалы Фаренгейта и Цельсия

	шкала Фаренгейта	шкала Цельсия
Точка кипения	212°	100°
	194°	90°
	176°	80°
	158°	70°
	140°	60°
	122°	50°
	104°	40°
	86°	30°
	68°	20°
	50°	10°
Точка замерзания	32°	0°
	14°	-10°
	0°	-17,8°
Температура абсолютного нуля	-459,67°	-273,15°

Рассмотрим более подробно средства измерения температуры.

Термометры расширения.

Предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +500 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).

В качестве термометрической жидкости в жидкостных стеклянных термометров применяется ртуть, этиловый спирт, керосин, толуол, пентан.

Механические термометры.

Принцип действия дилатометрических термометров основан на преобразовании изменений температуры в разность удлинений двух твердых тел, обусловленную различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Диапазон измерения температур составляет от -30 до +1000°С.

Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании в его чувствительном элементе двух металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединяются между собой, в основном путем сварки, и образуют биметаллическую пружину, которая при нагревании расширяется и замыкает контакт или вращает стрелку термометра.

Примерная схема биметаллического электрического контроллера, который применяется в холодильных камерах выглядит следующим образом:

На этом рисунке серый металл расширяется сильнее, чем синий. При повышении температуры это расширение заставляет пластину cгибаться вверх, соприкасаться с контактом, для того, чтобы потек ток по пластине и включился компрессор. Регулируя размер промежутка между пластиной и контактом, можно управлять температурой внутри камеры.

Биметаллические термометры могут быть различных типов. В самой распространенной конструкции длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;

Шкала манометра градуируется непосредственно в единицах температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, гибкого капилляра и собственно манометра. В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые (термометр ТГП, термометр ТДГ и др.), парожидкостные (термометр ТКП, ТПП) и жидкостные (термометр ТПЖ, термометр ТДЖ и др.). Область измерения температур манометрическими термометрами колеблется в диапазоне от -60 до +600°С. Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр обычно представляет собой латунную трубку с внутренним диаметром в доли миллиметра. Это позволяет удалить манометр от места установки термобаллона на расстояние до 40 м. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений на расстояние более 40 м манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами, речь идет о так называемых дистанционных термометрах.

Недостаток. Наиболее уязвимы в конструкции манометрических термометров являются места присоёдинения капилляра к термобаллону и манометру.

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Термометр сопротивления ТС это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра - платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Термопара - старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека - возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако, именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Достоинства:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.

- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки:

- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термо электродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел. принцип работы которых основан на измерении суммарной энергии или состава излучения нагретого тела. В зависимости от способа измерения различают:

· радиационные,

· оптические,

· фотоэлектрические и

· цветовые пирометры.

Радиационные пирометры. Эти пирометры измеряют полную (световую и тепловую) энергию излучения тела с помощью телескопа и вторичного прибора. Телескоп радиационного пирометра служит бесконтактным датчиком температуры и состоит из оптической системы, в фокусе которой находятся рабочие спаи термобатареи, т. е. нескольких соединенных последовательно термопар. Термобатарея преобразует излучаемую поверхностью нагретого тела энергию в ТЭДС, которая измеряется вторичным прибором. При наличии во вторичном приборе регулирующего устройства радиационный пирометр позволяет автоматически регулировать температуру в объекте (печь, ванна).

Оптические пирометры. Эти пирометры, называемые также яркостными, используют для периодического контроля температуры в печах и ваннах. С их помощью измеряют температуру по монохроматической яркости (интенсивности излучения) тела в видимой области спектра путем сравнения ее с яркостью нити эталонной пирометрической лампочки. Изменением тока накала нити ее яркость доводится до яркости измеряемого тела, при этом нить исчезает на его фоне, так как тело и нить имеют одинаковую температуру.

Фотоэлектрические пирометры. Фотоэлектрические пирометры служат для измерения температуры нагретых твердых тел в пределах от 600 до 2000°С. Их особенно успешно используют для измерения температуры быстропротекающих процессов.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра основан на свойстве фотоэлементов вырабатывать фотоэлектрический ток, пропорциональный интенсивности светового потока, который подается на фотоэлемент от излучателя. Так как интенсивность светового потока, в свою очередь, пропорциональна измеряемой температуре излучателя, то при помощи фотоэлементов можно измерять температуру нагретых тел.

Первичным датчиком в пирометре является визирная головка, в ней расположен фотоэлемент 9.

Головка размещена так, что световой поток от излучателя 3, температура которого подвергается измерению, через линзу объектива 4 направляется на фотоэлемент. На пути светового потока, перед фотоэлементом, устанавливается кассета 7 и красный светофильтр 8, пропускающий лучи только определенной длины волны. Кассета имеет два отверстия: через одно пропускается от излучателя световой поток, а через другое - от лампы накаливания 2.

Впереди кассеты расположен электромагнитный вибратор 6, который при помощи заслонки попеременно, с частотой питающего его тока 50 гц, открывает отверстия кассеты, вследствие чего на фотоэлемент попадают попеременно световые потоки то от источника, то от лампы накаливания.

Световой поток от лампы накаливания является эталонным, зависящим по величине только от тока, протекающего по ее нити. Световой поток от излучателя сравнивается со световым потоком от лампы накаливания. В результате этого к электронному усилителю 11 поступает переменное напряжение, величина которого зависит от разности световых потоков лампы накаливания и излучателя.

Это напряжение усиливается сначала в усилителе, расположенном в визирной головке, а затем в силовом блоке 14.

Выходной каскад блока нагружен лампой накаливания, через которую течет постоянный ток, увеличивающийся, если световой поток лампы накаливания меньше светового потока излучателя, и наоборот.

Таким образом, система непрерывно подтягивает значение тока, текущего через лампу, до величины, обеспечивающей равенство световых излучателя и потоков лампы накаливания.

Измеряя ток лампы накаливания, можно определять температуру излучателя. Измерение тока осуществляется быстродействующим электронным потенциометром 12, включенным на шунт в цепи лампы, правильная наводка головки на излучатель - при помощи окуляра 10 и отражателя 5. Прибор имеет разделительный трансформатор 13, стабилизатор напряжения 15, зажимы 16 для подвода питания от сети.

Описанный здесь пирометр допускает установку его на расстоянии 1 м и более от излучателя. Наименьший допустимый диаметр излучателя должен быть всегда несколько больше 1/20 этого расстояния. Пирометры этого типа, но со специальными объективами могут быть использованы для измерения температуры и меньших по размеру объектов, чем пирометры со стандартным показателем визирования.

Цветовые пирометры. Эти пирометры измеряют температуру по отношению интенсивностей монохроматического излучения тела для двух диапазонов длин волн красного и сине-зеленого участков видимой части спектра. Такое отношение характеризует так называемую цветовую температуру, которая совпадает с истинной для абсолютно черного и серых тел. В отечественных цветовых пирометрах использован метод красно-синего отношения. Для измерения обоих монохроматических яркостей используют один приемник излучения (фотоэлемент или фотосопротивление) с общим каналом усиления измеряемых сигналов.

Преимущество метода цветовой пирометрии перед другими бесконтактными оптическими способами измерения температуры состоит в том, что в качестве объекта измерения не обязательно иметь АЧТ. Кроме того, исключается влияние излучений, изменения рельефов поверхности, расстояния от пирометра, неселективных поглотителей лучистой энергии, расположенных между объектом измерения и пирометром (сеток, стекол, диафрагм, призм и т.п.).

Типичными образцами цветовых пирометров являются приборы ЦЭП - 3М и ЦЭП - 4.

Комплект прибора состоит из трех блоков: датчика, блока электроники, включающего усилительную и решающую схемы, показывающего или регистрирующего прибора.

Принцип действия прибора основан на автоматическом измерении логарифма отношения спектральных яркостей в красном и синем участке спектра. Вычислительное устройство автоматически осуществляет логарифмирование отношения яркостей. Логарифм спектрального отношения яркостей пропорционален обратным значениям цветовой температуры.

Измеряемое излучение попадает на фотоэлемент через оптическую систему прибора и через обтюратор, вращаемый синхронным двигателем. Обтюратор выполнен в виде диска с отверстиями, за­крытыми красными и синими светофильтрами таким образом, что при вращении диска на фотоэлемент попеременно попадает то красная, то синяя энергетическая яркость. Импульсы фототока, пропорциональные красной и синей спектральным энергетическим яркостям, усиливаются и подаются на вход измерительной системы. Фотоэлемент термостатирован. Все эти устройства смонтированы в головке прибора. Усиленный ток подается в измерительный блок, в котором после соответствующих преобразований сигнал поступает в электронную логарифмирующую систему, позволяющую получать линейную шкалу.

В головке датчика находятся также устройства для ручной и автоматической регулировки уровня энергетической яркости, индикаторы и органы управления. Для удаления пыли и дыма из поля зрения при измерении температуры открытых объектов в бленду, надеваемую на тубус объектива, подается сжатый воздух. Диапазон измерений температуры составляет 1400--2800°С. Прибор имеет от 3 до 5 поддиапазонов с интервалом 200--400°С. Показания прибора переводятся в градусы Цельсия с помощью градуировочного графика для данного поддиапазона. Градуировку прибора проводят по образцовым температурным лампам. Предельная ошибка измерения цветовой температуры 2000°С равна ±30°С.

В методе бихроматической цветовой пирометрии сигнал для регулирования определяется разностью двух спектральных энергетических яркостей.

Данный метод регулирования цветовой температуры исключает необходимость применения какой-либо схемы или логометра, измеряющего отношение яркостей. На этом принципе работает пирометр РЭД-1, имеющий один фотоэлемент и разделяющий сигналы, пропорциональные соответствующим спектральным энергетическим яркостям во времени, с помощью вращающегося диска со светофильтрами.

4.3 Методы и средства измерения уровня

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня.

Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов -- емкостные и радиоизотопные.

Поплавковые уровнемеры

Поплавковым уровнемером называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести G и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера.

Если пренебречь силой сопротивления кинематики и выталкивающей силой газовой фазы, то действующие на поплавок силы связаны уравнением

G = V_жс_жg, (4.11)

где V_ж -- объем погруженной части поплавка, с_ж -- плотность жидкости.

Объем V_ж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Дс_ж изменяется объем погруженной части на ДV_ж, что приводит к изменению осадка, т.е. к появлению дополнительной погрешности. Выражение для ДV_ж можно получить в виде

ДV_ж = (дV_ж / дс _ж)Дс _ж = -V_ж (Дс_ж /с_ж) (4.12)

Таким образом, объем погруженной части V_ж, а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополни-тельную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для снижения этой погрешности целесообразно уменьшить осадку поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо облегчением поплавка.

В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью гибкой механической связи. Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Сила сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера.

Такая конструкция имеет большой диапазон измерения, но не обеспечивает хорошей герметизации резервуара, поэтому используется только при небольшом избыточном давлении или разрежении и невысоких температурах контролируемой среды. Примером такого уровнемера являются уровнемеры типа УДУ. Они предназначены для измерения уровня нефтепродуктов с температурой (-50...50) °С, в интервале избыточных давлений (-1,5...3) кПа. Диапазоны измерения 0...12 или 0...20 м, основная погрешность ±4 мм.

При более высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером таких приборов являются магнитные уровнемеры типа ПМП (рис. 4.5) НПП «СЕНСОР».

По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок 6 с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. При диапазоне измерения от 0,5 до 6 м высота уровня измеряется с дискретностью 5 мм. При определении массы для учета изменения плотности жидкости в преобразователе производится измерение температуры. Эти преобразователи могут иметь в качестве выходной величины изменение сопротивления, токовый сигнал 4...20 мА или цифровой.

Магнитные поплавки входят в состав ультразвуковых уровнемеров.

Буйковые уровнемеры

Буйковыми уровнемерами называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) -- буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 4.6).

Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рис.4.6 таким элементом является пружина). Увеличивая уровень на Н от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х < h.

При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h - х):

х_с = (h -- х)с_жgF - (h- х)с_гgF, (4.13)

где с -- жесткость подвески; с_ж, с_г -- плотность жидкости и газа; F-- площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

x = h/(1 + с(с_ж - с_г)gF). (4.14)

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.

При большой жесткости подвески буек перемещаться не будет, однако при изменении уровня изменится усилие, с которым он действует на подвеску. В этом случае при увеличении уровня на h изменение усилия равно hF(с_ж - с_г)g. Такой принцип используется, например, в буйковых уровнемерах типов Сапфир-22ДУ, УБ-Э, ПИУП (ранее УБ-П). Последние уровнемеры снабжены преобразователями с силовой компенсацией (УБ-Э) с унифицированным токовым выходным сигналом, УБ-П и ПИУП с унифицированным пневматическим выходным сигналом).

Схема уровнемера с электросиловым преобразователем изображена на рис. 4.7.

Буек 1 подвешен на конец рычага 2, на другом конце которого расположен груз 3, уравновешивающий вес буйка 1 при нулевом уровне (возможен и другой метод компенсации веса). Разделительная мембрана 4 служит для герметизации резервуара.

При изменении уровня изменяется усилие, с которым буек действует на рычаг. Небаланс сил приводит к смещению рычага и сердечника дифференциально-трансформаторного преобразователя, выполняющего функцию индикатора рассогласования ИР. Его выходной сигнал поступает на усилитель У, выходной токовый сигнал которого I_вых поступает на выход прибора и в устройство обратной связи УОС.

Последнее представляет собой электросиловой преобразователь, который развивает усилие, устраняющее небаланс сил.

Уровнемеры УБ предназначены для измерения уровня невязких и вязких, невыпадающих в осадок, не кристаллизующихся сред при давлении -- (4... 16) МПа и температурах от -200 до 200 °С, плотность среды (600...2500) кг/м³. Верхние пределы измерений выбираются из ряда от 0,02 до 16 м, основная погрешность ±1; 1,5%. В уровнемерах для химических производств с пневматическим выходным сигналом типов УБК-1 и ДБУ-1 используется другой тип вывода от буйка -- с помощью торсионной трубки, к выводу которой крепится заслонка пневмопреобразователя. Уровнемеры ДБУ-1 используются на средах с температурой 5...230 °С при давлении до 2,5 МПа и плотностью 700... 1410 кг/м³. Верхний предел измерения (0,4...6) м, основная погрешность ±2,5 % [32].

Гидростатические уровнемеры

Основным принципом действия данных уровнемеров является измерение гидростатического давления, оказываемого жидкостью.

Величина гидростатического давления Р_г зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости с.

Измерение гидростатического давления может осуществляться различными способами, например:

- манометром или датчиком давления, которые подключаются к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня;

- дифференциальным манометром, который подключается к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;

- измерением давления воздуха, прокачиваемого по трубке, опущенной в жидкость на фиксированное расстояние, и другими.

На рис. 4.8. приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений.

При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.

Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит.

В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.

Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением.

Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой.

В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т.к. результирующий перепад давления на дифманометре равен:

ДР = (Р_г + Р_атм) - Р_атм = Р_г. (4.15)

Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h₁, то используют уравнительные сосуды (УС).

Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h₁ в импульсной трубке.

Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Р_изб, применяют измерительную схему, изображенную на рис.4.11.

Избыточное давление Р_изб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ДР можно представить в виде:

ДР = сgH_max - сgh, (4.16)

где: с - плотность жидкости, g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения. При h = 0, ДР = ДР_max, а при h = H_max , ДР = 0.

То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной.

Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая - в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.

Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рис.4.12.

Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсате и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью [32].

Емкостные уровнемеры

Емкостными уровнемерами называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от ее уровня.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление с < 106 Омм и диэлектрическую проницаемость е_ж ? 7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней. В качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рис. 4.13, а.

Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой Н заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Н - h -- ее парами.

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением

C = рее₀H / ln(d₂/d₁), (4.17)

где е₀ = 8,85*10^-12 Ф/м (Фарад/м) -- диэлектрическая проницаемость вакуума; е -- относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н -- высота электродов; d₁, d₂ -- диаметры внутреннего и наружного электродов.

На основании (4.17) легко записать выражения для емкости С₁ части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С₂ части, находящейся в газовом пространстве:

; ; (4.18)

где е_ж и е_г -- относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Z_пp, кроме емкостей С₁ и С₂, определяется также емкостью С_и проходного изолятора и его активным сопротивлением R_и (емкость С_и образуется электродами преобразователя на участке а; сопротивление R_и обусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.

Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рис. 4.13, б. Суммарная емкость преобразователя

С_пр = С₁ + С₂ + С_и. (4.19)

Емкость С_и от значения h не зависит, кроме того, для газов е_г ? 1, поэтому

; (4.20)

Таким образом, при е_ж = const емкость С_пр однозначно будет зависеть от измеряемого уровня h. В реальных условиях е_ж может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т.п.).

Для уменьшения влияния изменения е_ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор (рис. 4.14).

Здесь 1 и 2 -- электроды конденсаторного преобразователя, емкость которого зависит от измеряемого уровня h, и диэлектрической проницаемости е_ж. Нижняя часть электрода 1 и дополнительный электрод 3 образуют компенсационный конденсатор, который постоянно погружен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от е_ж. Емкость компенсационного конденсатора используется в электронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение по сравнению со схемой на рис. 4.13 неизмеряемого уровня, обусловленного высотой h_к электродов компенсационного конденсатора. Отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора (см. R_и на рис. 4.13, б) и активного сопротивления контролируемой жидкости в межэлектродном пространстве (обычно значение последнего пренебрежимо мало). Для уменьшения влияния активного сопротивления преобразователя в схему уровнемера включается фазовый детектор. В конденсаторных преобразователях для электропроводных жидкостей один электрод выполняется изолированным. Если резервуар металлический, то его стенки могут быть использованы в качестве второго электрода.

Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода. На рис. 4.15, а изображена схема преобразователя, выполненного в виде стержня (электрода) 1, покрытого слоем изоляции 2 и погруженного в металлический резервуар 3.

Если пренебречь диэлектрической проницаемостью газов над жидкостью по сравнению с диэлектрической проницаемостью изоляции электрода, то электрическую схему преобразователя можно представить в виде, изображенном на рис. 4.15, б. Зависящую от уровня емкость преобразователя можно представить как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов С₁ и С₂. Параметр С₁ -- емкость конденсатора, обкладками которого являются поверхность электрода 1 и поверхность электропроводной жидкости на границе с изолятором 2. Диэлектриком этого конденсатора является материал изолятора. При увеличении h увеличивается площадь обкладки -- поверхность жидкости, что ведет к увеличению С₁. Параметр С₂ -- емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора С₁), второй -- поверхность резервуара 3. С увеличением h емкость С₂ также растет. Параметр R_ж -- активное сопротивление жидкости; С_и, R_и -- емкость и активное сопротивление проходного изолятора. Таким образом, полная емкость преобразователя определяется выражением

С_пр = С_и + С₁С₂/(С₁ + С₂). (4.21)

Как и в схеме рис. 4.15, наличие активной составляющей в выходном сопротивлении Z_пp преобразователя может привести к появлению погрешности, во избежание чего в схеме устанавливается фазовый детектор.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются различные схемы. Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ.

Мост состоит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр (питаемого генератором Г), емкости преобразователя С_пр и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость С_пр растет, разбаланс моста увеличивается и напряжение на входе усилителя возрастает. С помощью усилителя этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП.

Более сложная измерительная схема используется в уровнемерах типа РУС.

Работа схемы основана на емкостно-импульсном методе измерения уровня, использующем переходные процессы, протекающие в цепи емкостного преобразователя, периодически подключаемого к источнику постоянного напряжения. Измерительный конденсаторный преобразователь 1 и компенсационный конденсатор 2 подключены к входам преобразователей 3, 4 емкости в электрический сигнал.

В преобразователе 3 измерительный конденсатор 1 генератором тактовых импульсов 7 периодически подключается к постоянному напряжению u₁ В конце рабочего импульса генератор шунтирует измерительный конденсатор и разряжает его. За время импульса измерительный конденсатор зарядится до значения напряжения, которое зависит от значения емкости. Выходным сигналом преобразователя 3 является постоянное напряжение u₃ импульсной формы, амплитуда которого определяется емкостью конденсатора, т.е. значениями контролируемого уровня и диэлектрической проницаемости среды. Преобразователь 4 имеет аналогичное исполнение, но питается напряжением u₂, пропорциональным выходному току I_вых (т.е. используется отрицательная обратная связь).

Таким образом, амплитуда выходного импульсного напряжения u₄ преобразователя 4 зависит от емкости компенсационного конденсатора (т.е. диэлектрической проницаемости среды) и значения u₂. Сигналы с преобразователей 3 и 4 вычитаются и разностный сигнал подается на вход импульсного детектора 5, преобразующего импульсный сигнал в напряжение постоянного тока u₂. Напряжение u₂ затем используется в качестве сигнала обратной связи и усилителем 6 преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал Iвых. В статическом режиме выходное напряжение u₂ и ток I_вых принимают такие значения, при которых u₃ ? u₄. При увеличении уровня и е_ж = const будет увеличиваться u₃, что приведет к увеличению u₂ и I_вых, так как увеличение u₄ возможно только за счет увеличения u₂ (при е_ж = const емкость компенсационного конденсатора не изменяется). Предположим h = const, но увеличилась диэлектрическая проницаемость е_ж при этом u₂ и I_вых не должны измениться. Действительно, при этом увеличится u₃, но одновременно увеличится и значение u₄ (при u₂ = const), так как увеличилась и емкость компенсационного конденсатора. Верхние пределы уровнемеров РУС выбираются из ряда от 0,4 до 20 м, основная погрешность в зависимости от модификации 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 %. Уровнемеры применяются на диэлектрических или проводящих средах, агрессивных, взрывоопасных при температурах от -60 до 250 °С при давлениях до 10 МПа. В емкостных уровнемерах может использоваться резонансная схема измерения емкости. При этом первичный преобразователь включен в схему колебательного контура, параметры которого изменяются с изменением контролируемого уровня. При этом либо измеряется амплитуда напряжения на контуре (при неизменной амплитуде и частоте питающего напряжения), либо резонансная частота контура. Такие схемы имеют некоторые модификации уровнемеров типа «РУМБ», сигнализаторы типа СУС.

Емкостные уровнемеры получили широкое распространение особенно в качестве сигнализаторов из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя, отсутствия подвижных элементов возможности использования в широком интервале температур и давлений. Большим достоинством является нечувствительность к сильным магнитным полям, возможности использования в широком интервале температур (от криогенных до 500 °С) и давлений. К числу недостатков следует отнести непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Пас), пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей и содержащих примеси, выпадающие в осадок, высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором. Последний недостаток устраняется при размещении электронной части в головке преобразователя. В этом случае емкостной стержневой преобразователь напоминает термопреобразователь. Так, стержневой емкостной уровнемер типа Меrcap фирмы Siemens может иметь длину до 5 м при диаметре трубки 24 мм, измеряемая емкость составляет 3,3...3300 pF. Гибкая конструкция преобразователя может иметь длину до 35 м. Преобразователи работают при температурах от -200 до 400 °С при давлениях от вакуума до 50 МПа. При выходном сигнале 4...20 мА преобразователь имеет цифровой сигнал по HART-протоколу, погрешность измерения составляет ±0,1 %.

Радиоизотопные уровнемеры

Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении Y -лучей при прохождении через слой вещества.

В радиоизотопном уровнемере источник и приемник излучения подвешены на стальных лентах, на которых они могут перемещаться в трубах по всей высоте бака. Ленты намотаны на барабан, приводимый в движение реверсивным электродвигателем.

Если измерительная система (источник и приемник Y-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника по кабелю на блок управления будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель получит команду на спуск измерительной системы. При снижении ее ниже уровня среды поглощение Y-лучей резко увеличится, сигнал па выходе приемника уменьшится, и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.

Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал -- напряжение постоянного тока U.

Радиоизотопные уровнемеры и гамма излучателями делятся на две группы:

- Следящие уровнемеры - для непрерывного измерения уровня среды в резервуаре (рис. 4.18). В этом случае, излучатель и приемник радиационного излучения перемещаются вверх и вниз, по всей высоте емкости, используя либо специальные ленты либо жесткие металлические рейки с зубцами. Эта конструкция приводится в действие при помощи реверсивного электромотора. Такой уровнемер отслеживает границу уровня раздела сред, и в соответствии с ней - выдает текущий уровень материала в резервуаре.

- Сигнализаторы или индикаторы уровня - в свою очередь подразделяются на сигнализаторы предельного значения и сигнализаторы отклонения от заданного уровня. Отличие этих сигнализаторов состоит в том, что они считают нормальным: уровень среды до линии установки датчика (т.е. защита от перелива), либо же нахождение датчика на границе двух сред (поддержание уровня). Это стационарные приборы, установленные на одном месте, не имеющие подвижных частей.

Каким бы не был радиоизотопный уровнемер, стационарным или «следящим», принцип его действия неизменен и основан на измерении разности интенсивности гамма-лучей, излученных и поглощенных, при их прохождении через вещества с различной плотностью, заполняющие резервуар. Что это означает на практике?

Слабое гамма-излучение от источника радиоизотопного излучения (это может быть либо радиоактивный Кобальт Co⁶⁰, либо Цезий 137), проникая через стенки резервуара и его внутреннюю полость, улавливается и преобразуется приемником-детектором, в качестве которого выступает обычный счетчик Гейгера. В счётчике Гейгера, при воздействии гамма-излучения, происходит ионизация заполняющего его газа. Благодаря тому, что к электродам счетчика приложен высокий электрический потенциал, возникает импульсный ток, частота импульсов которого, прямо пропорциональна интенсивности потока гамма-излучения.

В случае заполнения резервуара сыпучей или жидкой средой, часть гамма-излучения поглощается, вследствие чего, на приемном устройстве уровнемера наблюдается снижение уровня излучения. Таким образом, частота импульсов от счетчика Гейгера изменяется. Контроллер, по этим сигналам, распознает порог изменения интенсивности гамма-излучения, преобразует его в постоянный ток, пропорциональный частоте импульсов и переключает контакты встроенного реле (либо подаёт сигнал на пульт диспетчера или индикаторы).

Таким образом, радиационное излучение идет от излучателя к приемнику, которые располагаются на противоположных стенках емкости или резервуара. Гамма лучи на своем пути проходят либо через воздух, в случае, когда уровень среды не достигнет отметки, на которой установлен уровнемер, либо непосредственно через продукт, уровень которого и контролируется. Воздушная среда не способна обеспечить сильное затухание радиоактивного сигнала. В случае же, когда уровень измеряемой среды окажется выше отметки, на которой установлены излучатель и приемное устройство, то радиоактивное излучение будет проходить сквозь толщу этой среды, что отразится на его интенсивности , поскольку, плотная среда имеет свойство поглощать радиацию намного сильнее, нежели воздушная среда.

Радиоизотопные уровнемеры уже давно освоены предприятиями тяжелой промышленности. Они надежны, поскольку ломаться в таких уровнемерах и сигнализаторах, абсолютно нечему, и имеют высокую точность определения уровня. Однако, они имеют ряд негативных моментов, которые и ограничивают их повсеместное применение. Во-первых, это необходимость обеспечения дополнительной безопасности персонала, работающего с этими радиоактивными приборами. Во-вторых, невозможность использования таких датчиков для измерения уровня пищевых продуктов. Они подходят лишь для промышленного применения. И в-третьих, стоимость радиационной аппаратуры вообще, и радиоизотопных уровнемеров, в частности, может быть в несколько раз выше, чем уровнемеров других типов.

Однако, как уже говорилось ранее, существуют ситуации, когда без радиоизотопного уровнемера не обойтись. Например, как, при измерении уровня расплавленного металла в печах, или в процессе непрерывной отливки (для этих целей прекрасно подойдет прибор технологического контроля уровня жидкого металла «ПТКУ»). Поэтому, радиоизотопные уровнемеры имеют полное право на существование и активную эксплуатацию. Просто подбирать такой уровнемер можно не подо все технологические процессы.

Ультразвуковые и акустические уровнемеры

По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на

• локационные,

• поглощения и

• резонансные.

В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость -- газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела.

В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа.

В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.

Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости звука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показания таких уровнемеров не сказываются изменения характеристик жидкости, поэтому они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука.

Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2(Н - h)/c, где с -- скорость ультразвука в газе.

Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0...5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.