Федоров С.Н. Основы автоматизациии производственных процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Как определяются статические характеристики термоэлектрических

преобразователей?

Что такое градуировочные таблицы термопар?

Какие способы компенсации температур холодных спаев Вы знаете?.

Что такое статическая характеристика термопар?

Какие материалы используются для изготовления терморезисторов?

Каков физический смысл температурного коэффициента сопротивления?

Как работает мостовая измерительная схема?

Почему наибольшее распространение получили трехпроводные

автоматические мосты?

РАЗДЕЛ 3. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

Краткие теоретические сведения

Уровень жидкости или сыпучих веществ в различных емкостях является

одним из важнейших параметров технологических процессов в нефтегазовой

промышленности. Информация об уровне используется для определения

количества вещества и в АСУ ТП.

Наибольшее распространение получили следующие типы средств

измерения уровня (уровнемеры): поплавковые, буйковые, гидростатические,

емкостные, ультразвуковые и радарные уровнемеры.

Магнитоакустические уровнемеры (У1500, У1600, «Сокур»).

Магнитоакустическим эффектом называют возникновение собственного

переменного магнитного поля в звукопроводе, находящемся во внешнем

постоянном магнитном поле, при распространении по звукопроводу

ультразвуковой волны.

Для реализации магнитоакустического эффекта необходимы:

- звукопровод из проводящего материала;

- источник постоянного магнитного поля;

- источник ультразвука;

- регистратор возникновения переменного магнитного поля.

В уровнемерах рассматриваемой группы в качестве звукопровода

используется стальная проволока 1 (рисунок 3.1) диаметром 3 мм. Источником

постоянного магнитного поля служит кольцевой постоянный магнит,

расположенный внутри поплавка 3. В качестве излучателя ультразвуковых волн

используются два пьезоэлемента, приваренные по бокам верхнего торца

звукопровода. Пьезоэлементы подключены к генератору в противофазе и

излучают поперечную ультразвуковую волну, которая представляет собой

деформации сжатия и растяжения в звукопроводе.

Для регистрации возникновения переменного магнитного поля

используется однослойная измерительная катушка (обмотка), намотанная на

звукопровод.

Принцип работы уровнемеров заключается в следующем.

С помощью пьезоэлементов излучается поперечная ультразвуковая волна,

которая деформирует звуковод. Как правило, излучается один или пачка

импульсов деформации. С этого момента начинается отсчет времени. Импульс

упругой деформации распространяется со скоростью ультразвука по

звукопроводу сверху вниз. Вне зоны поплавка магнитоакустический эффект не

возникает, поскольку отсутствует внешнее постоянное магнитное поле. При

прохождении импульсом упругой деформации области поплавка в

звукопроводе возникает переменное магнитное поле (магнитоакустический

эффект) и, следовательно, переменный магнитный поток. В соответствии с

законом электромагнитной индукции изменяющийся магнитный поток

вызывает появление ЭДС (Е) в измерительной катушке (обмотке). Появление Е

фиксируется и отсчет времени прохождения ультразвуковой волны

заканчивается.

Высоту уровня жидкости в резервуаре определяют по формуле

H = H – v

зв

* Δt, (3.1)

где h – уровень жидкости в резервуаре;

H – высота резервуара;

зв

– скорость распространения ультразвука в звуководе;

Δt - интервал времени от момента подачи импульса упругой деформации до

момента достижения им поплавка в резервуаре.

Следует отметить, что в рассматриваемых уровнемерах используется

комбинация различных методов измерения уровня. Так, например, наличием

поплавка характеризуются поплавковые уровнемеры; распространением

ультразвуковых волн в различных средах – ультразвуковые уровнемеры;

фиксацией достижения импульсом упругой деформации поплавка –

магнитоакустические уровнемеры.

Уровнемер У1500. Этот уровнемер предназначен для автоматического

дистанционного непрерывного определения уровня жидкости (или уровня

раздела фаз) в резервуаре и отображения результата измерения на цифровом

дисплее, а также выдачи результата измерения в виде аналогового токового

сигнала в систему управления, сигнализации, регистрации. Кроме того,

предусмотрена возможность задания и непрерывного контроля двух значений

уровня (верхнего и нижнего), при достижении которых срабатывают звуковая и

световая сигнализации, а также активизируются реле и оптрон.

Параметры измеряемой среды должны соответствовать следующим

требованиям:

- рабочее избыточное давление (в зависимости от исполнения корпуса

датчика), МПа, не более ………………………………..............0,04 или 1,6;

- диапазон температур, °С…………………….………………….от 0 до +50;

- плотность, г/см

, не менее ........................................................................ 0,5;

- вязкость - не ограничивается при отсутствии застывания измеряемой

среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на

поплавке, препятствующих перемещению поплавка;

- содержание сероводорода, %, не более ..................................................... 3.

Основные технические данные уровнемера. Уровнемер обеспечивает:

- автоматическое дистанционное непрерывное определение положения

границы раздела двух сред (уровня) с различными плотностями и

отображение результата измерения на цифровом дисплее;

- выдачу результата измерения в виде выходного токового сигнала;

- ручной ввод двух значений (верхний и нижний) уровня, при превышении

которых срабатывает звуковая и световая сигнализации;

- формирование выходных электрических сигналов при заданных

значениях уровней в виде замыкания контактов реле и срабатывания

оптрона;

- автоматический непрерывный контроль исправности датчика и линии

связи с индикацией результата.

В уровнемере предусмотрена возможность подстройки на плотность

измеряемой среды. Подстройка производится при пусконаладочных работах.

Основные параметры уровнемера:

- число разрядов ......................................................................................4;

- верхний предел измерения, м ......................................................2 - 15;

- дискретность измерения, м ……………... ...................................0,01;

- нижний неизмеряемый уровень, м, не более ..................................0,2;

- верхний неизмеряемый уровень, м, не более .................................0,8;

- основная погрешность, мм, не более ...............................................10;

- вариация показаний, мм, не более ...................................................10;

- дополнительная температурная погрешность уровнемера на

каждые 10 °С измеряемой среды, мм, не более ............................20;

- время установления показаний дисплея, с, не более …………….40;

- выходной сигнал уровня - постоянный ток (0...5); (0...20) или (4…

20) мА с шагом дискретизации 0,08 м.

Устройство уровнемера. Уровнемер состоит из двух составных частей:

- датчика, устанавливаемого на резервуаре;

- измерителя, устанавливаемого на щите управления.

Датчик и измеритель соединяются между собой кабелем типа PK-75 или

РК-50.

Конструктивно корпус датчика имеет два исполнения:

- гибкая конструкция (см. рисунок 3.1) - для рабочего избыточного

давления не более 0,04 МПа;

- жесткая конструкция (рисунок 3.2) - для рабочего избыточного

давления не более 1,6 МПа.

Датчик (см. рисунок 3.1) состоит из измерительного элемента 1,

помещенного в корпус 2, по которому перемещается поплавок 3 с магнитной

системой внутри поплавка. Для крепления датчика на крышке люка резервуара

предусмотрен сальниковый узел 4. Груз 5 обеспечивает натяжение трубы

корпуса датчика гибкой конструкции.

Измеритель представляет собой электронный блок, собранный в

унифицированном корпусе 1.

Схема установки уровнемера У1500 на технологическом аппарате

показана на рисунке 3.5.

В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства

контролируемых сред, т.е. положение уровня жидкости преобразуется в

изменение емкости.

Ёмкостный преобразователь является электрическим конденсатором,

ёмкость которого изменяется в зависимости от изменения уровня жидкости.

Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения уровня

непроводящих и проводящих жидкостей в широком диапазоне давлений и

температур, независимо от агрессивности сред.

Рисунок 3.1 Рисунок 3.2

Цилиндрический ёмкостный преобразователь (рисунок 3.4) представляет

собой две или несколько коаксиально расположенных труб.

Основная погрешность связана с изменением диэлектрической

проницаемости контролируемой среды при изменении температуры.

Ёмкость цилиндрического преобразователя определяется формулой



















(3.2)

где Н, D и d – длина преобразователя и диаметры внешнего и внутреннего

электродов соответственно;

ε – диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Рисунок 3.3 – Схема установки уровнемера У1500 на резервуаре

Общая емкость уровнемера С будет представлять собой сумму емкостей

С = С

+ С

, (3.3)

где С

– емкость проходного изолятора,

– емкость части преобразователя, находящейся в слое жидкости

высотой h;

- емкость части преобразователя, находящейся в газовом слое.

Они определяются по формулам

;



















(3.4)

 

;



















(3.5)

Рисунок 3.4 – Емкостной уровнемер для неэлектропроводных сред

Поскольку ε

≈ 1, общая емкость будет равна

 

.11































СС





(3.6)

При измерении высоты уровня агрессивных, но не электропроводных

жидкостей, а также электропроводных жидкостей обкладки преобразователя

выполняются из химически стойких сплавов и каждую из обкладок покрывают

тонкими плёнками, обладающими высокими изолирующими свойствами.

Лабораторные работы

№ 301

«Магнитоакустический уровнемер У1500»

Цель работы. Изучение принципа действия уровнемера У1500 и

получение практических навыков по его применению.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка

представляет собой горизонтально расположенный измерительный элемент

уровнемера, установленный на специальных опорах. Поплавок перемещается

по корпусу измерительного элемента вручную. Для определения

действительного значения уровня к корпусу уровнемера прикреплена

металлическая рулетка. На одной из опор расположена головка датчика.

Измеритель представляет собой отдельный блок, собранный в

унифицированном корпусе. Датчик и измеритель соединяются между собой

кабелем типа РК-75 или РК-50.

На лицевой панели измерителя (рисунок 3.5) размещаются: цифровой

дисплей 2, программные переключатели для задания предельных уровней 3,

светодиодные индикаторы режимов работы 4.

На задней панели размещаются: клеммы заземления 1 и 9, разъемы

искробезопасной цепи 5, аналогового выхода и выходных цепей предельных

уровней 6, предохранитель 7, шнур питания 8. Внутри корпуса установлены

печатные платы 10 и 11, трансформатор 12 и телефонный капсюль 13.

Порядок выполнения работы:

1) ознакомиться с описанием уровнемера У1500;

2) подключить вилку разъема датчика уровнемера к соответствующему

гнезду на задней панели измерителя;

3) установить на лицевой панели измерителя значения предельных

уровней: верхнего - 2 м, нижнего - 0 м;

4) подключить измеритель к сети;

5) провести поверку уровнемера;

6) проверить работу световой и звуковой сигнализации;

7) сделать выводы по работе.

Методические указания к выполнению работы

К пункту 5. Установить поплавок уровнемера поочередно в пяти точках

по мерной линейке (по заданию преподавателя) сначала по возрастанию

(прямой ход), а затем в тех же точках по убыванию (обратный ход), и занести

соответствующие показания прибора в таблицу 1 (при этом необходимо

дождаться установившегося значения показаний). Установку поплавка по

мерной линейке необходимо производить таким образом, чтобы середина

поплавка соответствовала заданному уровню.

Рассчитать основную абсолютную погрешность уровнемера по формуле:

дn

hh 

где h

– показание прибора, h

– действительное значение уровня. Здесь в

качестве h

выбирается по максимуму Δ либо h

п.пр

(прямой ход), либо h

п.обр

(обратный ход).

Рассчитать основную приведенную погрешность уровнемера по формуле:

%100







нв



где h

и h

– соответственно верхний и нижний пределы измерений.

Рассчитать вариацию показаний по формуле:

обрппрпв



Занести полученные результаты в таблицу 1 и сравнить их с

паспортными данными.

Рисунок 3.5 – Панели измерителя уровня

Таблица 1 – Результаты поверки уровнемера

№ измерения 1 2 3 4 5

, м

п.пр

, м

п.обр

, м

Δ, м

γ, %

, м

К пункту 6. Установить на лицевой панели измерителя верхнее и нижнее

предельные значения уровня (по заданию преподавателя), и проследить за

работой световой и звуковой сигнализации, установив предварительно

поплавок уровнемера:

а) внутри установленного диапазона;

б) на расстоянии 0,1 м слева от установленного диапазона;

в) на расстоянии 0,1 м справа от установленного диапазона.

Показания прибора, соответствующие моменту срабатывания

сигнализации, занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты поверки сигнализации

Заданное предельное

значение уровня,

Показания прибора,

соответствующие

моменту срабатывания,

, м

Абсолютная

погрешность

срабатывания,



,м

Относительная

погрешность

срабатывания,



, %

Нижнее

Верхнее

Рассчитать абсолютную и относительную погрешности срабатывания

сигнализации по формулам

зcc

hh 

100







Требования к отчету. Отчет должен содержать:

- цель работы;

- рисунки 3.1, 3.3;

- таблицы 1, 2;

- расчет погрешности;

- выводы по работе.

№ 302

«Изучение емкостного уровнемера по компьютерной модели»

Цель работы. Изучение принципа действия и функциональной

схемы ёмкостного уровнемера, конструкции датчиков, определение

погрешности измерений.

Описание лабораторной установки. Данная лабораторная установка

является виртуальной и входит в комплекс компьютерных лабораторных работ

Центра дистанционного образования ТюмГНГУ (работа № 6 в меню). Порядок

запуска программы приведен в приложении.