МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерная школа природных ресурсов 18.03.01 «Химическая технология» Реферат на тему: Поплавковые магнитострикционные уровнемеры по дисциплине: Системы управления химико-технологическими процессами Исполнитель: студент группы 2Д03 Руководитель: к.т.н., доцент НОЦ ОХИ Н.М.Кижнера ИШПР Трапезоньян А.А. Чернякова Е.С. Томск – 2023 16.10.2023 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………...……. 3 1 КЛАССИФИКАЦИЯ УРОВНЕМЕРОВ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ ... 4 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПЛАВКОВОГО МАГНИТОСТРИКЦИОННО- ГО УРОВНЕМЕРА …………………………………………………………..… 6 3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ …………………………..……..… 10 4 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОПЛАВКОВЫХ МАГНИТОСТРИКЦИОН- НЫХ УРОВНЕМЕРОВ ……………………………..……………………….… 12 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ ……………………………………………………………………… 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………...…….…15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………….……. 16 2 ВВЕДЕНИЕ Уровнемеры – это приборы для измерения или контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов в резервуарах, хранилищах, технологических аппаратах химических производств и т. п. Приборы для определения количества жидкости или сыпучего материала с целью их учета и сигнализации о переполнении бункеров, расходных баков и других сосудов называют уровнемерами широкого диапазона измерений. Последние определяются в данном случае геометрическими размерами сосудов. Эти приборы снабжены шкалами с делениями, которые находятся по одну сторону от нулевой отметки, которая расположена в начале отсчета; шкалы градуируются в таких единицах измерения как см, дм и м. При необходимости поддержания уровня на заданной высоте приборы показывают величину его отклонения от нормального положения и называются уровнемерами узкого диапазона измерений (от 100 до 150 мм). Шкалы данных приборов имеют деления по обе стороны от нулевой отметки, которая находится посередине, и градуируются в мм и см [1]. 3 1 КЛАССИФИКАЦИЯ УРОВНЕМЕРОВ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и тд. Устройство для измерения уровня жидкости можно подразделить на следующие [2, 3]: визуальные, действие которых основано на принципе сообща- ющихся сосудов; поплавковые, в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости; буйковые, в которых для измерения уровня используется мас- сивное тело (буек), частично погружаемое в жидкость; гидростатические, основанные на изменении гидростатиче- ского давления столба жидкости; ёмкостные, в основе работы которых лежит то, что диэлек- трическая проницаемость растворов солей, кислот, а также щелочей изначально отличается от аналогичных показателей воздуха и водных паров. При этом по мере погружения электродов устройства в жидкость емкость между ними изменяется пропорционально уровню материала в баке; электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости; ультразвуковые, основанные на принципе отражения от по- верхности звуковых волн; 4 радарные и волноводные, основанные на принципе отражения от поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ); вибрационные, работающие по принципу камертона; радиоизотопные, основанные на использовании интенсивно- сти потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости. На производственных и промышленных предприятиях в 70-85% случаев для измерения в различных резервуарах применяются поплавковые и буйковые уровнемеры. Они имеют достаточно простое строение, но не могут гарантировать стопроцентную точность, а также в некоторых ситуациях просто не могут быть задействованы из-за своих технических особенностей. Все остальные модели датчиков уровня используются реже, хотя они отличаются безопасностью и хорошими эксплуатационными характеристиками. Именно поэтому сегодня многие эксперты рекомендуют перед выбором поплавковых или буйковых уровнемеров посмотреть на другие более функциональные приборы для измерения уровня жидкости или твердых компонентов. Каждое из этих устройств имеет свои особенности и достоинства, которые следует рассматривать при их выборе и установке. Перед покупкой того или иного прибора следует получить консультацию специалиста и вместе с ним разработать ТЗ на заказ подходящего оборудования с учетом всех особенностей технологических линий, куда оно будет интегрироваться [3]. 5 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПЛАВКОВОГО МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО УРОВНЕМЕРА Поплавковый уровнемер является промышленным измерителем, который используется для определения уровня жидкости в неподвижной ёмкости или баке. Измеритель отслеживает положение поплавка, преобразуя его позиционное изменение, вызванное уменьшением или увеличением уровня жидкости, в виде сигнала 4-20 мА либо релейного выхода устройства [4]. Магнитострикционные уровнемеры — надежные и высокоточные датчики уровня, которые относятся к датчикам поплавкового типа и используют магнитострикционный эффект для измерения уровня жидкости. Они не содержат движущихся частей, что делает их надежными и не требующими обслуживания [5]. Магнитострикционный поплавковый уровнемер изображен на рисунке 1. 6 Рисунок 1 – Магнитострикционный поплавковый уровнемер [6] В состав датчика входит волновод, заключенный в защитную трубу или гибкий шланг (зонд), сенсорная головка, внутри которой размещена электронная схема обработки сигнала, и поплавок со встроенными постоянными магнитами. Зонд погружается в технологическую среду. Поплавок свободно движется вдоль зонда. Устройство не содержит других движущихся частей. Отсутствие механической связи между поплавком и зондом исключает износ движущихся частей и делает конструкцию устройства чрезвычайно надежной и не требующей обслуживания в ходе эксплуатации. Использование магнитострикционного метода позволяет получать высокоточные и стабильные результаты измерений. Вкупе с высокой надежностью это делает магнитострикционные датчики уровня одним из наилучших решений в системах контроля уровня и коммерческого учета продукции [7]. Преимущества магнитострикционного метода измерения Данный метод измерения гарантируют безотказную и долголетнюю работу магнитострикционных датчиков в различных климатических условиях. К особенностям этих сенсоров относятся очень низкий коэффициент нелинейности (менее 0,004%) и высокая репродуцируемость (воспроизводимость) показаний измерения (до 0,005%). Магнитострикционные датчики уровня часто находят свое применение в области механических тестирующих систем, машин контроля материала, систем разлива и контроля уровня жидкости в нефтяной, химической, пищевой и др. промышленностях [8]. Модификации магнитострикционных уровнемеров Рассмотрим модификации магнитострикционных уровнемеров в Таблице 1, приведенной ниже. 7 Таблица 1 – Модификации магнитострикционных уровнемеров [7] Марка прибора Диапазон измерения Погрешность измерения Температура продукта 0,5…4,5 м 2…15 м ±0,1 мм или ±1,0 мм -40…+90°С 0,025…5,5 м ±0,05% или ±0,01% от ДИ или ± 0,1 мм -40…+200°С Сертификаты РФ Контроль раздела сред < 25 бар ГОСТ Р Ех без контроля раздела сред < 30 бар без сертификата контроль раздела сред есть < 50 бар Свидетельство об утверждении типа СИ, ТР ТС 012/2011 "О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных зонах", ДС ТР ТС 020/2011 "Электромагнитная совместимость технических средств", Сертификат сейсмостойкости, свидетельство РМРС, сертификат соответствия ПБ контроль раздела сред есть < 50 бар Свидетельство об утверждении типа СИ, ТР ТС 012/2011 "О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных зонах", ДС ТР ТС 020/2011 "Электромагнитная совместимость технических средств" контроль раздела сред есть Давление продукта NivoTrack FineTEK EG 0,1…25 м Серия ПЛП 0,1…20 м Серия Вектор ±0,2% для аналогового выхода. ±1 мм для RS-485, ModBus, HART ±0,1% для аналогового выхода. ±1 мм для RS-485, ModBus, HART -45…+450°С -45…+450°С 8 Назначение магнитострикционных уровнемеров Ряд преимуществ магнитострикционных датчиков, которые предопределяют круг решаемых ими задач [8]: высокая точность и разрешающая способность метода измерения; непрерывность измерений, обусловленная быстродействием ме- высокая надежность и отказоустойчивость конструкции. тода; Поэтому магнитострикционные уровнемеры целесообразно применять в следующих случаях [7]: в установках коммерческого учета выпускаемой и потребляемой продукции и исходного сырья; в установках, работающих при низких температурах и высоких давлениях; в установках, работающих с агрессивными материалами и пеня- щимися жидкостями; при необходимости контроля границ раздела двух сред или кон- троля двух продуктов одновременно. 9 3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ Принцип действия магнитострикционных уровнемеров основан на использовании явления магнитострикции, характерном для ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт, ряд сплавов). Волновод датчика выполняется из ферромагнитного материала. Зонд с волноводом погружается в контролируемую среду. Поплавок со встроенными магнитами имеет возможность свободно перемещаться вдоль волновода (зонда) в соответствии с уровнем жидкости в резервуаре. На рисунке 2 рассмотрим принцип действия магнитострикционного уровнемера. Рисунок 2 – Принцип действия магнитострикционного уровнемера [9] Работает устройство следующим образом. Электронный блок датчика генерирует импульс тока, протекающего по волноводу. Ток создает вокруг 10 волновода концентрическое магнитное поле. В том месте, где поле волновода-проводника взаимодействует с полем постоянных магнитов, встроенных в поплавок, возникает торсионное (скручивающее волновод) усилие, приводящее к местной деформации материала волновода. В силу упругих свойств материала волновода, деформация начинает распространяться в виде волны в обе стороны с ультразвуковой скоростью. На нижнем конце волновода волна затухает, а на верхнем – фиксируется специальным устройством. По времени запаздывания прихода волны относительно момента формирования импульса тока можно судить о расстоянии до поплавка, то есть до поверхности жидкости в резервуаре. Использование описанных выше физических принципов создает очевидные преимущества магнитострикционных уровнемеров [9]: отсутствие механических связей между движущимися частями устрой- ства обеспечивает высокую отказоустойчивость и надежность и минимизирует эксплуатационные затраты; измерение уровня происходит посредством измерения временных про- межутков, этим обеспечивается высочайшая разрешающая способность и точность измерений; поскольку импульс тока и волна механической деформации распро- страняется по проводнику волновода, состояние окружающей и контролируемой сред очень мало влияет на результаты измерений. Устройство может работать при высоких температурах и давлениях среды, при кипении жидкости и газообразовании в резервуаре; внешние механические воздействия не могут вызывать торсионных деформаций волновода, поэтому результаты измерений мало зависят от вибраций, толчков, ударов и акустических воздействий на датчик. 11 4 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОПЛАВКОВЫХ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ Технические характеристики магнитострикционных уровнемеров позволяют использовать эти устройства для решения технологических задач, где требуется надежная бесперебойная работа датчиков с высокой точностью измерений: в пищевом, фармацевтическом и химическом производствах для вы- сокоточной оценки и дозирования исходного сырья, дорогостоящих составляющих рецептур и коммерческого учета выходного продукта; в химическом производстве для работы с агрессивными и пеня- щимися жидкостями; в нефтегазоперерабатывающей промышленности для коммерче- ского учета сжиженного газа и легких нефтепродуктов; в топливной промышленности для контроля количества бензина на заправочных станциях; в металлургии и на судовом транспорте – для целей контроля уровня воды в резервуарах и баках технологических, хозяйственных и бытовых нужд, измерения объёма и массы топлива в топливных баках, определения уровня использованной воды в резервуарах. 12 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ Поплавковая конструкция и используемый магнитострикционный метод измерений, наряду с очевидными преимуществами, обладают рядом недостатков, накладывающих ограничения на применение датчиков в конкретных технических случаях. Останавливая свой выбор на магнитострикционных уровнемерах, потребитель должен обязательно учитывать следующие основные ограничения [9]: образование волн и турбулентности жидкости в резервуаре влияет на точность измерений. Поэтому датчики должны устанавливаться на максимальном удалении от устройств заполнения и дренирования ёмкости; использование поплавковой конструкции неприемлемо в случаях жид- костей, обладающих высокой вязкостью и таких, где может образовываться налипание продукта, отложение осадка и примесей на зонде и поплавке; поскольку взаимодействие поплавка и зонда происходит посредством электромагнитного поля, использование таких датчиков недопустимо вблизи излучателей сильных электромагнитных полей, а так же в случае присутствия в измеряемой среде металлических частиц и опилок. Соблюдение этих ограничений позволит в максимальной степени использовать полезные качества приборов. При выборе конкретного типа датчиков следует ориентироваться на основные параметры, характеризующие качество работы – диапазон измерений, давление и температуру контролируемой среды, погрешность измерений. При необходимости работы с агрессивными жидкостями следует выбирать зонды с пластиковым покрытием. В тех случаях, когда необходимо производить замеры в высоких резервуарах с большим диапазоном измерений, или при необходимости перемещений прибора, желательно выбирать гибкий зонд. Эта опция доступна в семействе 13 магнитострикционных преобразователей типа NivoTrack. Для небольших ёмкостей следует выбирать жесткий зонд. Для всех компаний-производителей характерен примерно одинаковый набор выходных параметров сигналов, позволяющий использовать датчики в автоматизированных системах контроля. Практически одинаков и набор сертификатов по взрывобезопасности и искробезопасности. В отношении аттестаций выгодно отличается семейство уровнемеров NivoTrack, зарегистрированное в Регистре Средств Измерений РФ и соответствующее требованиям Международной Организации Законодательной Метрологии (OIML R85). Это позволяет без сомнений использовать уровнемеры NivoTrack для целей коммерческого учета продукции и точного дозирования составляющих рецептур. Компании-производители дают возможность при заказе приборов достаточно разнообразно сочетать требования к датчикам, не сильно ограничивая потребителя стандартным набором параметров. Только линейка приборов EG компании FineTek несколько больше структурирована по функциональным признакам. Различают модели «стандартной» серии EG1, высокоточных серий EG32 и EG34, взрывозащищенных и предназначенных для работы в агрессивных средах серий EG36 и EG37. Среди последних – прибор EG371, единственный, позволяющий осуществлять контроль границы раздела двух сред или одновременный контроль уровня двух продуктов. Приборы типа MLT, при сохранении на достаточно высоком уровне прочих параметров, отличаются адаптивностью к весьма высоким уровням давлений (до 50 бар). Датчики всех компаний-производителей комплектуются наборами разных типов поплавков, подбираемых, в основном, по плотности рабочей среды [9]. 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Магнитострикционные уровнемеры относятся к датчикам поплавкового типа, использующим в основе процесса измерения магнитострикционный эффект. В состав датчика входит волновод, заключенный в защитную трубу или гибкий шланг (зонд), сенсорная головка, внутри которой размещена электронная схема обработки сигнала, и поплавок со встроенными постоянными магнитами. Данный метод измерения гарантируют безотказную и долголетнюю работу магнитострикционных датчиков в различных климатических условиях. К особенностям этих сенсоров относятся очень низкий коэффициент нелинейности (менее 0,004%) и высокая репродуцируемость (воспроизводимость) показаний измерения (до 0,005%). Магнитострикционные датчики уровня часто находят свое применение в области механических тестирующих систем, машин контроля материала, систем разлива и контроля уровня жидкости в нефтяной, химической, пищевой и других промышленностях. 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Классификация уровнемеров URL: https://studfile.net/preview/709962/page:2/ (дата обращения 14.10.23) 2. Классификация приборов для измерения уровня URL: https://infopedia.su/22xf50d.html (дата обращения 14.10.23) 3. Классификация устройств для измерения уровня назначению или принципу действия: все виды уровнемеров и датчиков URL: https://uwtlevel.ru/document/klassifikaciya-ustroystv-dlya-izmereniyaurovnya (дата обращения 14.10.23) 4. Поплавковые уровнемеры URL: https://rusautomation.ru/catalog/s/poplavkovye_urovnemery/#:~:text=Поплав коый%20уровнемер%20является%20промышленным%20измерителем% 2C,мА%20либо%20релейного%20выхода%20устройства (дата обращения 14.10.23) 5. Магнитострикционный преобразователь уровня | Feejoy Technology URL: https://feejoy.ru/products/urovnemer/magnetostrictive-level-transmitter (дата обращения 15.10.23) 6. Уровнемер магнитострикционный схема URL: https://triptonkosti.ru/20foto/urovnemer-gidrostaticheskij-shema.html (дата обращения 15.10.23) 7. Магнитострикционные уровнемеры | Магнитострикционные датчики уровня URL: https://rusautomation.kz/datchiki_urovnya/magnitnostrikcionnye (дата обращения 15.10.23) 8. Принцип работы MegaSensor.com магнитострикционных URL: датчиков уровня | https://megasensor.com/products/princip-raboty- magnitostrikcionnyh-datchikov-urovnya/ (дата обращения 16.10.23) 9. Магнитострикционные уровнемеры для жидкости URL: https://rusautomation.ru/catalog/s/magnitostriktsionnye_urovnemery_dlya_zh idkosti/ (дата обращения 16.10.23) 16
