Автоматизированные системы управления химикотехнологическими процессами Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна 1 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 2 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 3 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). 4 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). 5 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.). . 6 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). 7 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 8 Деформационные манометры По типу упругих элементов 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%. 9 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% 10 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. 11 Выбор манометра Материал Внутренняя конфигурация Корпус Монтажное подключение Связь Технология датчиков 12 Установка манометра Запорный и стравливающий вентиль Демпфирующее устройство Разделительная мембрана Устройство защиты от избыточного давления Вентильный блок 13 Измерение расхода Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Для измерения расхода веществ применяют : расходомеры переменного перепада давлений, расходомеры постоянного перепада давлений переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, тепловые и турбинные. 14 Расходомеры переменного перепада давления Расходомер переменного перепада давления – это измерительный комплекс, принцип действия которого основан на зависимости расхода от перепада давления, создаваемого первичным преобразователем расхода, установленным в трубопроводе. 15 Расходомеры переменного перепада давления Такой расходомер может работать при следующих условиях: Поток должен занимать все сечение трубы. Не должно происходить фазовых превращений вещества при прохождении сужающего устройства. Поток должен быть установившимся. 16 Измерение расхода Может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с) 𝐹𝑜 = α 𝜀 𝐴0 2 𝜌 𝑝1 − 𝑝2 или 𝐹𝑚 = 𝜌 𝐹𝑜 массовый (кг/с, кг/ч, г/с) расход. α - коэффициент расхода ε - поправочный коэффициент, для несжимаемой жидкости ε = 1 𝐴0 - площадь отверстия сужающего устройства Для диафрагм 𝛼 = 𝛼исх 𝑘ш 𝑘н Для сопл и сопл Вентури 𝛼 = 𝛼исх 𝑘ш 17 Расходомеры постоянного перепада давления Принцип действия ротаметров состоит в том, что гидродинамическое давление измеряемого потока среды воздействует на поплавок, вызывая его вертикальное перемещение. 𝐹𝑜 = 𝐶 𝐴к 𝐴к - площадь кольцевого зазора; 𝐶 – поправочный коэффициент. 18 Электромагнитные расходомеры Принцип действия основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. E = 𝐵𝐷υ или E= 𝐹𝑉 𝐵𝐷 𝑆 𝐸 – индуцируемая в проводнике ЭДС, В; В – магнитная индукция, Т; 𝐷 − внутренний диаметр трубопровода, м; υ − скорость потока, м/с; S − площадь сечения трубы, м2; 𝐹𝑉 − объемный расход, м3 19 Достоинства электромагнитных расходомеров 1. Безынерционны 2. Наличие взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа 3. Физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.) 4. Расход агрессивных и абразивных сред Недостатки: слабая помехоустойчивость. Диапазон измерения - от от 0,002 до 300 000 м3/ч. Не применимы для жидкостей с низкой электропроводностью 10−5 – 10−7 Ом−1•см−1 20 Ультразвуковые расходомеры Принцип действия ультразвукового расходомера жидкости и газа основан на явлении смещения звукового колебания проходящего сквозь движущуюся жидкую или газообразную среду. Виды расходомеров: • Фазовый ∆𝝉 = 𝟐𝑳𝒗 ; 𝒄𝟐 L – расстояние между приемником и источником, м; υ – скорость потока, м/с; с – скорость звука, м/с. 21 Ультразвуковые расходомеры • Частотный cos 𝛼 ∆𝑓 = 𝑣 𝐿 𝛼 - угол между осями трубопровода и датчиков, град; L – расстояние между приемником и источником, м; υ – скорость потока, м/с. 22 Ультразвуковые расходомеры Достоинствами ультразвуковых расходомеров являются: • малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, • надежность (так как отсутствуют подвижные механические элементы), • высокая точность, • быстродействие, • помехозащищенность. Недостатками ультразвуковых расходомеров является • чувствительность к содержанию твердых и газообразных включений, • сильная подверженность электромагнитным помехам. 23 Вихревые расходомеры Вихревыми называются расходомеры, расход которых зависит от частоты колебания давления. Колебания давления возникают в потоке в процессе вихреобразования после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе (эффект Кармана). Для измерения частоты возникающих вихрей могут использоваться электромагнитные, акустические, силовые преобразователи. 24 Вихревые расходомеры Достоинства: * Простота и надежность преобразователя расхода; * Отсутствие подвижных частей; * Большой диапазон измерений; * Линейный измерительный сигнал; * Достаточно высокую точность измерения; * Стабильность показаний; * Независимость показаний от давления и температуры; * Сравнительная несложность измерительной схемы; * Возможность получений универсальной градуировки. 25 Вихревые расходомеры Недостатки вихревых расходомеров Невозможно использовать при малых скоростях потока; Значительная потеря давления (может достигнуть 30-50 кПа); Изготавливают для труб имеющих диаметр от 25 до 150300 мм; Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные пульсации (такие помехи создаются различными источниками: насосами, компрессорами, вибрирующими трубами и т. д.). 26 Кориолисовые расходомеры Кориолисовы расходомеры — приборы, использующие для измерения массового расхода жидкостей, газов и всвесей без предварительного определения плотности и объема эффект Кориолиса. 27 Кориолисовые расходомеры Преимущества измерения кориолисовым расходомером: • высокая точность измерений параметров; • работают вне зависимости от направления потока; • не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера; • нет затрат на установку вычислителей расхода; • надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды; • длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей; • нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании; • измеряют расход сред с высокой вязкостью. 28 Тахометрические (турбинные) расходомеры Расходомер или счетчик воды, имеющий подвижной, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. 29 Тепловой расходомер Принцип действия расходомера: Измерение эффекта теплового воздействия на поток, зависящее от расхода. Применение: Расходомеры в основном предназначены для измерения расхода газа в лабораторных условиях, реже жидкости. Разновидности тепловых расходомеров: - калориметрический тепловой расходомер - термоконвективный тепловой расходомер - термоанемометрический тепловой расходомер Недостатки: Малая надежность. 30 Газоанализаторы Газоанализа́тор — измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. По принципу действия: 1. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. Определяется изменение объема или давления газовой смеси в результате химических реакций ее отдельных компонентов 2. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы: термохимические – тепловой эффект реакции; 31 Газоанализаторы электрохимические – электрическая проводимость раствора; фотоколориметрические – изменение цвета веществ; хроматографические – разделение компонентов между подвижной и неподвижной фазами и др. 3. Приборы, основанные на чисто физических методах анализа термокондуктометрические – измерение теплопроводности газов, денсиметрические – измерение плотности газовой смеси, магнитные – определение концентрации кислорода, оптические – измерение оптической плотности и др. 32 Термокондуктометрические газоанализаторы Работа термокондуктометрических газоанализаторов основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав. 33 Термохимические газоанализаторы Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси. 34 Оптические газоанализаторы В основу работы оптического газоанализатора положено свойство селективного поглощения различными газами потока излучения. 35 Магнитные газоанализаторы В магнитных газоанализаторах, относящихся к анализаторам бинарных смесей, концентрация определяемого компонента измеряется по изменению магнитных свойств газовой смеси. 36 Электрохимические газоанализаторы К электрохимическим газоанализаторам относятся устройства, в которых выходной сигнал определяется электрохимическими явлениями, происходящими в электродных системах, погруженных в анализируемый газ или контактирующий с ним раствор. Электрохимические методы в основном используются для анализа жидкостей. Различают кондуктометрический и потенциометрический методы анализа. 37 Измерение концентрации растворов 1. Денсиметрические анализаторы – пьезокомпенсационные плотномеры 2. Ультразвуковые анализаторы. 38