Автоматизированные системы управления химикотехнологическими процессами Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна 1 Микроволновые радарные уровнемеры Радарные уровнемеры – наиболее универсальные средства измерения уровня и подобно акустическим уровнемерам, используют явление отражения электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, а также большая устойчивость к запыленности, испарениям с контролируемой поверхности, пенообразованию. 2 Микроволновые радарные уровнемеры Датчик уровня построен по принципу радиолокатора. Преимущества: • радиоволны могут распространяться и в вакууме, на них не влияет температура, давление, влажность, пена/туман/пыль, вид материала, плотность, значение диэлектрической постоянной, химически агрессивная среда, проводимость, изменение свойств материала (комкование), наличие подвижных поверхностей; • надёжное измерение порошкообразных материалов; • измерение уровня жидкостей при образовании пены в условиях повышения давления; Недостатки: • электромагнитные волны поглощаются диэлектриками (пластмасса, стекло, бумага и т.д.); • диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6; • клейкие вещества могут вызвать отказы. 3 Типы микроволновых уровнемеров В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные - 𝐿 = 𝑐 ∙ 𝑡/2; с модулированным сигналом FMCW (frequency modulated continuous wave) - ∆𝑓 = 𝑓0 − 𝑓1 . Частота излучения - 6…95 ГГц. 4 Типы антенн а) рупорная (коническая) б) рупорная (коническая) с уплотнением соединения, в) параболическая, г) стержневая, д) планарная е) трубчатая (волноводная) а б в г е д 5 Диапазон измерений Для измерения уровня в резервуаре со спокойной средой верхняя граница интервала диапазона измерений составляет от 15 до 50 м., для резервуара с возмущенной поверхностью (турбулентные условия) – от 5 до 20 м. 6 Рефлексные (волноводные) уровнемеры Рефлексные уровнемеры предназначены для измерения уровня, дистанции и объема жидкостей, паст и сыпучих продуктов, а также раздела фаз жидких продуктов. Рефлексные (волноводные) уровнемеры по принципу работы подобны радарным уровнемерам, но электромагнитный импульс распространяется не в газовой среде, а по специальному зонду – волноводу. 7 Принцип действия Данный датчик уровня использует электромагнитные импульсы, которые проходят по волноводу и отражаются от границы резкого изменения диэлектрической постоянной, что означает границу между воздухом и продуктом. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала. 8 Применение волноводных уровнемеров Наличия в резервуаре внутренних конструкций вблизи зонда. Среды с более высоким значением диэлектрической постоянной (εr) отражают лучше, следовательно, для них диапазон измерений больше. Наличие пены и частиц в атмосфере резервуара может ухудшить качество измерений. Для оптимальной работы однопроводного зонда в неметаллических резервуарах (например, бетонных или пластиковых) зонд следует монтировать с металлическим фланцем. Спокойная поверхность обеспечивает лучшее отражение, чем турбулентная, поэтому для турбулентной поверхности диапазон измерений будет меньше. Наличия в резервуаре электромагнитных помех. Следует избегать эксплуатации уровнемера в применениях со средами, вызывающими сильные налипания/загрязнения зонда. 9 Типы зондов 1. 2. 3. 4. 5. коаксиальный, жесткий двухстержневой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный, гибкий однопроводный. 10 Радиоизотопные уровнемеры Радиоизотопные уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях и делятся на две группы: • со следящей системой, для непрерывного измерения уровня; • сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения. 11 Радиоизотопные уровнемеры Достоинства: • Непрерывное, бесконтактное измерение уровня любых продуктов. • Применение даже при самых тяжелых условиях процесса: высоком давлении, высокой температуре, высокой коррозийности, токсичности, абразивности. • Применяется на любых промышленных емкостях при наличии конструкционной оснастки внутри контролируемого пространства: реакторах, автоклавах, сепараторах, резервуарах с кислотой, смесителях, циклонах, вагранках. • Подключение к системе по открытым протоколам. • Используется в системах безопасности для определения предельного уровня. Недостатки: • Требуется наличие лицензирования на возможность использования приборов с источниками излучения. • Дополнительное техобслуживания 12 Выбор технологии измерения уровня Анализ технологического процесса и определение необходимой информации: Количество контролируемых уровней. Измеряемая среда. Тип емкости. Точность измерений. Диапазон измерения. Вид выходного сигнала. 13 Измерение давления В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па). Давлением Р называют отношение Р=F/S абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. Сумма атмосферного и избыточного давлений представляет собой абсолютное давление, т. е. Рабс = Ратм + Ризб Если абсолютное давление меньше атмосферного, то их разность называется разрежением или вакуумом: Рвак = Ратм — Рабс 14 Единицы измерения давления Единицы измерения давления определяются одним из двух способов: 1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст.) или ртутного столба при 0°С (мм рт. ст.); 2) через единицы силы и площади. В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется единица давления паскаль Па=1 Н/м2). 1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,97 атм = 0, 98×103 мбар = 0,98 бар = 104 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = =0,98×105 Па = 98 кПа= 0,098 МПа 15 Классификация манометров Приборы для измерения давления могут классифицироваться по следующим характеристикам: • виду измеряемого давления; • принципу действия; • области применения; • классу точности : 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше цифра, тем точнее прибор). 16 Классификация манометров По диапазону измеряемого давления собственно манометр (избыточное давление) – прибор, который измеряет положительную разность между абсолютным и барометрическим давлением в диапазоне от 0,06 до 1000 МПа; вакуумметр (разрежение) – измеряет давление ниже атмосферного (до 100 кПа); мановакуумметр (избыточное давление и разрежение) манометры измеряющие как избыточное (от 60 до 240000 кПа), так и вакуумметрическое (до минус 100 кПа) давление; напоромер (измеряет малое избыточное давление до 40 кПа), тягомер (измеряет разрежение до 40 кПа), тягонапоромер (мановакуумметр с пределами измерений не более ± 20 кПа), дифференциальный манометр (измеряет разность давления). 17 Классификация манометров По принципу действия • жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости), • деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента), • грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь), • электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты - от измеряемого давления) • и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.). . 18 Классификация манометров По области применения • общепромышленные, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.), • лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабильных условиях лабораторий), • специальные (применяются в экстремальных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами), • образцовые (для поверки рабочих манометров, обладают более высоким классом точности (0,15;0,25;0,4), чем остальные. ) и • эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам). 19 Жидкостные манометры Принцип действия жидкостных манометров основан на уравновешивании измеряемой величины высотой столба рабочей жидкости. Значение измеряемой величины (разность давлений Р1 и Р2) определяется по шкале прибора: P1-P2=hpg где р - плотность рабочей жидкости; g – ускорение силы тяжести 20 Деформационные манометры По типу упругих элементов, применяемых для измерения давления, деформационные (механические) приборы подразделяются на пружинные, мембранные и сильфонные. Диапазон измерения пружинных манометров обычно составляет от 0,1 до 2500 MПа, с погрешностью 0,16-4,0%. 21 Деформационные манометры Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы: трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяют манометры с открытым чувствительным или разделительным элементом - сильфоном либо мембраной. Диапазон давление от 100 до 107 Па и более. Погрешность 0,5-2,5% 22 Грузопоршневые манометры В этих приборах измеряемое давление определяется по величине нагрузки, воздействующей на поршень определенной площади. Грузопоршневые манометры имеют высокую точность (0,02; 0,05; 0,2) и широкий диапазон измерения (0,1- 250 МПа). Обычно их применяют для градуировки и поверки грузопоршневых манометров. 23 Электрические манометры Наиболее перспективны приборы, действие которых основано на так называемом тензорезистивном эффекте - изменении электрического сопротивления твердого проводника (чувствительного элемента) в результате его деформации, пропорциональной измеряемому давлению. Диапазон измерения от 100 Па до 1000 MПа, погрешность 0,51,5%. В манганиновых датчиках под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Используются для измерения давления свыше 100 MПа. Действие емкостных датчиков основано на преобразовании перемещения чувствительного элемента в изменение емкости конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрической проницаемости. Этим датчикам свойственны значительные температурные погрешности. 24 Выбор манометра Материал Внутренняя конфигурация Корпус Монтажное подключение Связь Технология датчиков 25 Установка манометра Запорный и стравливающий вентиль Демпфирующее устройство Разделительная мембрана Устройство защиты от избыточного давления Вентильный блок 26