Автоматизированные системы управления химико- технологическими

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