Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Специальное стержневое исполнение используются в качестве

уровнемеров:

• автозаправочных станций

• цистерн;

• на нефтеперегонных заводах;

• в химической промышленности.

Все современные модели магнитострикционных датчиков очень надежны.

Уровнемеры находят свое применение различных областях

промышленности.

Система гидростатического измерения уровня (СГИУ)

Влияющие факторы:

• форма резервуара;

• внешнее давление;

• температура среды;

• зернистость материала;

• образование конденсата, наличие пены и т.п.;

• абразивность, химическая активность и др.

Система гидростатического измерения уровня (СГИУ) предназначена для

точного измерения уровня продуктов, находящихся в резервуарах различной

конфигурации.

Непосредственно на резервуарах располагаются:

• два высокоточных преобразователя,

• датчик температуры,

• интерфейсный блок преобразователя (ИБП).

Главным элементом системы является преобразователь давления Сапфир-

22МР или Сапфир-Кварц. Используя высокоточное измерение давления,

система рассчитывает такие параметры как масса, плотность, объем и

уровень заполнения резервуара продуктом.

Интерфейсный блок преобразователя (ИБП) устанавливается

непосредственно у резервуара, принимая сигналы от преобразователей

давления, рассчитывает массу, плотность, объем и уровень с индикацией

полученных значений на встроенном жидкокристаллическом индикаторе.

При этом учитывается деформация оболочки резервуара, вызванная

изменением окружающей температуры.

Связь

ИБП с компьютером верхнего уровня, расположенного в

операторной, осуществляется по четырехпроводному кабелю с

использованием интерфейсов RS-485 либо RS-232-С.

Программное обеспечение верхнего уровня позволяет производить:

• Высокоточное измерение уровня, плотности, массы, объема;

• Отображение результатов измерения и вычисления на мониторе

компьютера у оператора.

• Ведение накопительных баз данных (до 1 года) по получаемой

информации

;

• Предотвращение перелива продукта при наполнении резервуара, -

путем выдачи управляющих сигналов на отключение насосов,

включение (отключение) звуковой и световой сигнализации;

• Распечатку результатов обработки текущей информации и

архивных данных на принтере.

Технические характеристики:

• количество обслуживаемых резервуаров определяется заказчиком —

1-32;

• средний срок службы — 10 лет;

• длина линии связи между ИПБ

и оператором — не более 1500

метров;

• температура окружающего воздуха для первичных

преобразователей и ИПБ — от минус 50 до плюс 50 ˚С;

• температура окружающего воздуха для остальных составных частей

системы — от 5 до 50 ˚С.

4.2 Тензометрический метод измерения уровня

При реализации электрических методов производят контроль изменения

контактного сопротивления (контроль предельного уровня).

В весовых уровнемерах, применяемых для грубых сыпучих материалов,

используют тензодатчики или динамометры с дифференциально-

трансформаторными преобразователями.

Измерение уровня с использованием динамометров.

Рис. 4.4 Схема установки динамометрического уровнемера:

1 – динамометр; 2 – резервуар.

4.3 Емкостной метод измерения уровня

Производят измерение электрической емкости конденсатора, образованного,

например, специальным электродом и стенкой резервуара.

Рис. 4.5 Емкостный уровнемер: 1,2— электроды

Электрические методы непригодны для измерения взвесей, вязких и

кристаллизующихся, взрывоопасных жидкостей, выпадающих в осадок, при

изменении влажности или состава среды. Для использования в

электропроводящих жидкостях применяют электроды с изолирующим

покрытием.

πε

(4.1)

- начальная электрическая емкость чувствительного элемента датчика.

Емкость соединительных проводов равна:

. При изменении уровня в

емкости изменяются составляющие полного сопротивления ИП:

)(2

−

, (4.2)

, (4.3)

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−++=

CCC

æ 2201

εεε

. (4.4)

Для устройств данного типа большую роль играет сопротивление утечки

через изоляцию. Для уменьшения влияния изменения свойств жидкости

применяют дифференциальный метод измерения. Используют резонансные и

мостовые измерительные схемы и повышенную рабочую частоту. В качестве

электродов используют тросовые преобразователи (до 20м), стержневые или

пластинчатые (до 10м).

в)

Рис. 4.6 Емкостной метод измерения (а) и контроля (б) уровня.

1…8 – варианты установки электродов в резервуаре.

Выбор датчика для каждого конкретного случая определяется многими

факторами. Сложнее всего измерять уровень сжиженных газов, особенно

жидкого гелия, обладающего низкой плотностью и низкой диэлектрической

проницаемостью. Для таких сложных случаев наиболее подходят датчики,

реализованные на основе линии передач.

Измеряя сдвиг фаз между переданным и отраженным сигналами,

определяется положение границы раздела сред.

Сдвиг фаз измеряется при

помощи фазового компаратора, на выходе которого вырабатывается

постоянное напряжение. Более высокая диэлектрическая проницаемость

обеспечивает более высокий коэффициент отражения и, соответственно,

лучшую чувствительность датчика.

4.7 Схема устройства для измерения уровня бензина в баке автомобиля.

4.4 Акустические и ультразвуковые методы измерения уровня сред

Принцип работы акустических и ультразвуковых уровнемеров основан на

использовании отражения волн от границы раздела сред. В акустических

уровнемерах используется метод локации уровня через газовую среду,

поэтому не зависит от характера контролируемой среды, но зависит от

давления газа, запыленности. Ультразвуковые уровнемеры используют для

однородных жидкостей, для сыпучих материалов не пригоден. Выходным

сигналом

емкостного датчика может быть амплитуда, фаза или частота

следования сигналов. Время распространения акустического сигнала в среде

зависит от измеряемого уровня:

)(2 hH

−

. (4.5)

Для измерения уровня сыпучих материалов широко используют первичные

измерительные преобразователи вибрационного типа с электромагнитным,

магнитострикционным или пьезоэлектрическим возбудителем колебаний.

Радиоизотопные уровнемеры используются при специфических условиях

измерения (агрессивные жидкости, с повышенной адгезией, с высокой

рабочей температурой, для крупно кусковых материалов …). Для

дискретного измерения уровня используют различные варианты размещения

излучателей и

приемников. Это бесконтактный, надежный метод, но дорогой

и опасный для здоровья персонала.

Рис. 4.8 Ультразвуковое устройство для контроля уровня:

1 – излучатель и 2 – приемник ультразвука.

Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения уровня различных

жидкостей, а также хорошо работают и на сыпучих продуктах. Эти приборы

отличаются по диапазонам измерения, версиями датчика и имеют разные

технологические присоединения.

Радарный уровнемер

Радарный уровнемер используется для измерения дистанции, уровня и

объема жидкостей, паст и твердых веществ, а также измерения уровня

жидкостей и сжиженных газов в металлических аппаратах и хранилищах.

Рефлекс-радарный уровнемер для измерения дистанции, уровня и объема

жидкостей, границы раздела жидкостей, паст и сыпучих продуктов.

Сигнализаторы уровня предназначены для сигнализации уровня различных

жидкостей в одной или двух точках технологических емкостей и управления

технологическими агрегатами. Применяется в системах автоматизации

производственных

объектов нефтегазовой, нефтехимической, химической,

энергетической, металлургической, пищевой и других отраслей

промышленности в аппаратах с атмосферным или избыточным давлением.

Сигнализаторы уровня

Датчики уровня

Датчики уровня предназначены для измерения уровня различных

жидкостей, уровней раздела сред многофазных жидкостей (нефть – эмульсия

– подтоварная вода и т.п.), а также измерения температуры и давления

контролируемой среды. Применяются в системах автоматизации

производственных объектов нефтегазовой, нефтехимической, химической,

энергетической, металлургической, пищевой и других отраслей

промышленности в аппаратах с

атмосферным или избыточным давлением.

В уровнемерах, реализующих термический метод измерения,

используют термопары, терморезисторы, размещенные в разных точках

емкостей.

Для вязких, агрессивных, загрязненных, взрывоопасных сред широко

применяют уровнемеры с использованием микроволновых радаров.

Для точных измерений уровня используют интерферометрические

лазерные устройства.

Уровнемеры и датчики предельного уровня предназначены для измерения

уровня

жидкостей с различными характеристиками и сыпучих материалов.

Область применения датчиков очень широка: они используются в

резервуарах и баках, трубопроводах, траншеях и предоставляют информацию

об их наполнении; применяются в качестве концевых выключателей для

сигнализации о переполнении или для предотвращения «сухого» режима

работы помпы. В основе работы лежат известные физические принципы:

различная

плотность сред, отражение от поверхности, разность

диэлектрической проницаемости и т.п.

Уровнемеры выпускаются в гигиеническом и взрывозащищенном

исполнении и рассчитаны на широкий диапазон давления и температуры.

Приборы измерения уровня разделяют по следующим принципам

действия:

• Ультразвуковые уровнемеры,

• Радарные уровнемеры,

• Рефлексные уровнемеры,

• Сигнализаторы уровня,

• Механические уровнемеры

Радиолокационный датчик уровня

Радиолокационный датчик уровня предназначен для непрерывного

бесконтактного измерения уровня заполнения крупногабаритных емкостей

как в автономном режиме, так и в составе АСУ ТП.

Ультразвуковые датчики расстояния:

зависимость диапазона измерения от условий эксплуатации

Ультразвуковые датчики расстояния широко используются и часто

рекомендуются в качестве приборов для измерения и контроля: объема

жидких и сыпучих веществ в резервуаре и уровня заполнения емкости.

Однако на практике часто можно столкнуться с проблемой с уменьшения

диапазона измерений датчика

и искажения значения измеряемой величины

(при непрерывном измерении объема или уровня) для датчиков с

аналоговым выходным сигналом. Производители зачастую приводят лишь

максимальный диапазон измерения своих приборов, который получается при

работе датчика в идеальных условиях эксплуатации.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на

свойстве звуковых волн отражаться от различных объектов:

излучатель,

расположенный в корпусе датчика, посылает ультразвуковые волны, часть

которых, отражаясь от объекта измерения возвращается назад в приемник. В

датчике принятый отраженный сигнал преобразуется в напряжение.

Интегрированный контроллер измеряет время, за которое сигнал проходит

путь от излучателя, отражается от объекта и возвращается в приемник.

Таким образом, понятно, что на диапазон и

точность измерений

ультразвукового датчика расстояния должна влиять рабочая среда. К

примеру, компания Pepperl+Fuchs для своей линейки ультразвуковых

датчиков приводит следующие данные, которые могут помочь подобрать

оптимальную модель, исходя из реальных условий эксплуатации, и на основе

которых можно прогнозировать «поведение» датчика:

Объект и условия измерения Ослабление сигнала

ПОВЕРХНОСТЬ ЖИДКОСТИ

Спокойная 0 дБ

С волнами 5 дБ… 10 дБ

С сильными волнами 10 дБ… 20 дБ

Пена Необходимо уточнять у

Pepperl+Fuchs

ПОВЕРХНОСТЬ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Твердая, неровная 40 дБ

Мягкая 40 дБ… 60 дБ

ПЫЛЬ

Без образования пыли 0 дБ

Незначительное образование пыли 5 дБ

Значительное образование пыли 5 дБ…20 дБ

ПРЕПЯТСТВИЯ, НАХОДЯЩИЕСЯ МЕЖДУ ДАТЧИКОМ И

ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЙ

Отсутствуют 0 дБ

Присутствуют небольшого размера 5 дБ… 10 дБ

Присутствуют крупные 10 дБ… 40 дБ

РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР МЕЖДУ ДАТЧИКОМ И ПОВЕРХНОСТЬЮ

ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЙ

До 20º С (293 К) 0 дБ

До 40º С (313 К) 5 дБ… 10 дБ

До 80º С (353 К) 10 дБ… 20 дБ

На диаграмме также показано, как уменьшается диапазон измерений для

различных моделей ультразвуковых датчиков, в зависимости от ослабления

сигнала. Суммируя каждую составляющую, представленную в таблице, в

общий уровень ослабления, можно примерно определить, какой же все-таки

диапазон измерения будет на практике у ультразвукового датчика

расстояния.