Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра автоматизации технологических процессов и производств СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ Учебно-методическое пособие по лабораторной работе УФА 2018 Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Измерение технологических параметров в нефтегазовой промышленности», (направление подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», профиль БАГ), «Технические измерения и приборы» (направление подготовки 21.05.06 «Нефтегазовая техника и технологии», специализация АГ) и «Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства» (направление подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», профили: БМТ, БГТ, БСТ, БГГ, БГР, БГШ, БГБ). Пособие представляет собой руководство по выполнению лабораторной работы. Оно включает: цель работы, описание лабораторной установки, порядок ее выполнения, краткие теоретические сведения, требования к отчету и контрольные вопросы. Перечень выполняемых экспериментов определяется преподавателем в соответствии с рабочей программой дисциплины. Рекомендовано к регистрации в качестве электронного ресурса учебнометодическим советом кафедры АТПП. Составитель: Прахова М.Ю., доц. каф АТПП Рецензенты: Шаловников Э.А., доц. каф АТПП, канд. техн. наук Хорошавина Е.А., доц. каф АТПП, канд. техн. наук © © Прахова М.Ю. Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2018 2 СОДЕРЖАНИЕ 1 Цель работы …………………………………………………………….. 4 2 Описание лабораторной установки …………………………………… 4 3 Порядок выполнения работы ………………………………………….. 5 4 Методические указания к выполнению лабораторной работы …….. 6 5 Требования к отчету …………………………………………………… 9 6 Краткие теоретические сведения ……………………………………... 10 6.1 Магнитострикционные уровнемеры ……………………………….. 10 6.2 Уровнемер У1500 …………………………………………………… 13 6.3 Емкостные уровнемеры ……………………………………………… 17 7 Контрольные вопросы …………………………………………………. 18 3 1 Цель работы Изучить принцип действия и устройство магнитострикционного и емкостного уровнемеров. Получить навыки контроля метрологических характеристик уровнемера У1500 и калибровки емкостного уровнемера. 2 Описание лабораторной установки Магнитострикционный уровнемер изучается по физической модели. Лабораторная установка (рисунок 1) представляет собой размещенный горизонтально в специальных подставках 2 датчик 1 магнитострикционного уровнемера типа У1500. На волноводе 3 закреплена металлическая измерительная рулетка 4 для определения текущего значения уровня, изменение которого имитируется ручным перемещением поплавка 5 по волноводу. Датчик уровнемера соединен с измерителем 6 кабелем типа PK-75 или РК-50. На лицевой панели измерителя (рисунок 2) размещаются: цифровой дисплей 2, программные переключатели для задания предельных уровней 3, светодиодные индикаторы режимов работы 4. На задней панели размещаются: клеммы заземления 1 и 9, разъемы искробезопасной цепи 5, аналогового выхода и выходных цепей предельных уровней 6, предохранитель 7, шнур питания 8. Внутри корпуса установлены печатные платы 10 и 11, трансформатор 12 и телефонный капсюль 13. Рисунок 1 – Схема лабораторной установки 4 Рисунок 2 – Панели измерителя Лабораторная установка для изучения емкостных уровнемеров является виртуальной и входит в комплекс компьютерных лабораторных работ Центра дистанционного образования ТюмГНГУ (работа № 6 в меню). 3 Порядок выполнения работы 3.1. Изучить принцип действия уровнемера У1500. 3.2. Выполнить контроль метрологических характеристик уровнемера У1500 в заданных преподавателем точках. 3.3. Обработать результаты экспериментов и определить соответствие полученных метрологических характеристик уровнемера паспортным значениям. 3.4. Проверить работу световой и звуковой сигнализации в заданных преподавателем точках. 3.5. Изучить принцип действия и конструкцию емкостных уровнемеров. 3.6. Произвести их виртуальную калибровку. 5 3.7. Обработать полученные на модели результаты и рассчитать полученную погрешность. 3.8. Сделать выводы по работе. Примечание: перечень выполняемых пунктов определяется преподавателем перед началом выполнения работы. 4 Методические указания к выполнению работы К пункту 3.2. Подключить вилку разъема датчика уровнемера к соответствующему гнезду на задней панели измерителя. Установить на лицевой панели измерителя значение верхнего предельного уровня 2 м, значение нижнего предельного уровня 0 м. Подключить измеритель к сети. Установить поплавок уровнемера поочередно в пяти точках по мерной линейке (по заданию преподавателя) сначала по возрастанию – прямой ход, а затем в тех же точках по убыванию – обратный ход, и занести соответствующие показания прибора в таблицу 1. Установку поплавка по мерной линейке необходимо производить таким образом, чтобы середина поплавка соответствовала заданному уровню. После включения уровнемера в сеть отсчет показаний производить после выдержки не менее 30 секунд. Таблица 1 – Результаты калибровки Значение № измерения 1 Действительное значение уровня h д, м Измеренное значение уровня (прямой ход) hп.пр, м Измеренное значение уровня (обратный ход) hп.обр, м Абсолютная погрешность Δ, м Приведенная погрешность γ, % Погрешность вариации Δв, м 6 2 3 4 5 К пункту 3.3. Рассчитать основную абсолютную погрешность уровнемера по формуле: hï .ïð ( îáð ) hä , (1) где hп.пр (обр) – показание прибора при прямом или обратном ходе; hд – действительное значение уровня. В таблицу 1 заносится то значение Δ, которое будет максимальным (независимо от того, при каком ходе – прямом или обратном – оно получено). Рассчитать основную приведенную погрешность уровнемера по формуле: 100% , (2) hв hн где hв и hн – соответственно верхний и нижний пределы измерений. Рассчитать вариацию показаний по формуле: в hп.пр hп.обр (3) Занести полученные результаты в таблицу 1 и сравнить их с паспортными данными. К пункту 3.4. Установить на лицевой панели измерителя верхнее и нижнее предельные значения уровня (по заданию преподавателя), и проследить за работой световой и звуковой сигнализации, установив предварительно поплавок уровнемера: а) внутри установленного диапазона; б) на расстоянии 0,1 м слева от установленного диапазона; в) на расстоянии 0,1 м справа от установленного диапазона. Показания прибора, соответствующие моменту срабатывания сигнализации, занести в таблицу 2. Таблица 2 – Результаты проверки срабатывания сигнализации Заданное предель- Показания прибора, Погрешность срабатывания ное значение уров- соответствующие моменту срабатывания, ня, h з , м hс , м абсолютная c ,м относительная c , % Нижнее Верхнее Рассчитать абсолютную и относительную погрешности срабатывания сигнализации по формулам c hc hз , 7 (4) с с 100 %. hз (5) К пункту 3.6. На рисунке 3 показано основное окно лабораторной работы. Рисунок 3 – Основное окно лабораторной работы После его появления необходимо выполнить следующие действия: включить электронный индикатор уровня (нажать на кнопку «Сеть»); выдержать электронный индикатор уровня во включенном состоянии 10-15 мин. (текстовое поле «Время нагрева датчика»); при прямом ходе установить датчик на определенное значение уровня по показаниям миллиамперметра (с помощью слайдера «Перемещение датчика»); после перемещения линейки зафиксировать ее показания (клавиша «Зафиксировать»); произвести те же действия в том же порядке при обратном ходе, при тех же значениях уровня, как и при прямом ходе; записать результаты измерений в таблицу 3 и использовать их в дальнейших расчетах. 8 Таблица 3 – Результаты калибровки емкостного уровнемера Поверяемое (действительное) значение уровня, hд, % Измеренное значение уровня, % при пряпри обмом ходе ратном hпр ходе hоб Абсолютная погрешность Δ, % при пряпри обмом ходе ратном Δпр ходе Δоб Приведенная Вариация, погрешность Δв, % γ, % К пункту 3.7. Рассчитать основную абсолютную погрешность уровнемера по формуле: hn hд , (6) где hп – показание прибора при прямом или обратном ходе; hд – действительное значение уровня. В таблицу 3 заносится максимальное (по модулю) значение абсолютной погрешности для каждого замера, независимо от того, при каком ходе – прямом или обратном – оно получено. Рассчитать основную приведенную погрешность уровнемера по формуле: 100% , (7) hв hн где hв и hн – соответственно верхний и нижний пределы измерений. Рассчитать вариацию показаний по формуле: в hп.пр hп.обр . (8) Занести полученные результаты в таблицу 3. 5 Требования к отчету Отчет должен содержать: цель работы; рисунки 4; 5; 8, а; 9; таблицы с данными экспериментов и результаты определения погрешности калибруемых уровнемеров; выводы по работе. Примечание: конкретное содержание отчета определяется перечнем выполняемых пунктов. 9 6 Краткие теоретические сведения 6.1 Магнитострикционные уровнемеры В основе магнитострикционного метода лежит комбинация из эффектов магнетизма и ультразвука. Периодически генерируемый электроникой сенсора токовый импульс передается по волноводу в направлении поплавка с расположенным в нем постоянным магнитом (рисунок 4). В измерительном элементе (волноводе), в точке пересечения магнитного поля, вызванного токовым импульсом, с магнитным полем постоянного магнита возникает механическая (акустическая) волна, которая движется обратно с постоянной скоростью в направлении измерительной головки сенсора. Измеренное время между стартом токового импульса и приходом (возвращением) импульса в виде ультразвуковой волны является мерой расстояния до поплавка, т.е. уровня. 1 – направляющая труба; 2 – волновод; 3 – поплавок; 4 – постоянный магнит; 5 – корпус прибора Рисунок 4 – Магнитострикционный уровнемер Более подробно работа магнитострикционного уровнемера показана на рисунке 5. Измеряемый уровень определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. 10 Рисунок 5 – Использование магнитострикционного эффекта при измерении уровня При измерении короткий импульс тока посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода. При пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера возникает пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и, таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита. В преобразователе торсионного импульса ультразвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы. Возникающее в результате этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электриче11 ский ток в катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью звука. Точное определение уровня получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны. Датчик (рисунок 6) состоит из измерительного элемента (волновода), помещенного вовнутрь защитной трубы, или металлического гибкого кожуха. Сенсорная головка состоит из литого корпуса или корпуса из нержавеющей стали и содержит электронику обработки сигнала. Единственно подвижной частью сенсора является поплавок, свободно перемещающийся вдоль зонда. Для случаев эксплуатации датчиков в жидкостях с кристаллизирующимися свойствами поплавок изготавливается с увеличенным внутренним диаметром, чем гарантируется свободное его перемещение вдоль зонда. Рисунок 6 – Датчик магнитострикционного уровнемера Позиционирующие магниты, расположенные внутри поплавка, воздействуют на волновод, вызывая возникновение торсионного импульса. Путем оснащения сенсора несколькими поплавками разной массы возможно одновре12 менное измерение уровня нескольких слоев жидкости разной плотности (например, вода и бензин). Приемная система датчиков регистрирует только торсионные импульсы в волноводе. Продольные колебания в области зонда, возникшие в результате воздействия внешних механических воздействий, звуковых колебаний и помех никаким образом не влияют на показания измерений. 6.2 Уровнемер У1500 6.2.1 Назначение уровнемера. Уровнемер У1500 предназначен для автоматического дистанционного непрерывного определения уровня жидкости (или уровня раздела фаз) в резервуаре и отображения результата измерения на цифровом дисплее, а также выдачи результата измерения в виде аналогового токового сигнала в систему управления, сигнализации, регистрации. Кроме того, предусмотрена возможность задавать и непрерывно контролировать два значения уровня (верхний и нижний), при достижении которых срабатывают звуковая и световая сигнализации, а также активизируются реле и оптрон. Параметры измеряемой среды должны соответствовать следующим требованиям: – рабочее избыточное давление, МПа, не более (в зависимости 0,04 или 1,6 от исполнения корпуса датчика)....................................................... – диапазон температур, °С ……………………………….………… от 0 до +50 – плотность, г/см3, не менее ............................................................ 0,5 – содержание сероводорода, %, не более ....................................... 3 Вязкость не ограничивается при отсутствии застывания измеряемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на поплавке, препятствующих перемещению поплавка. 6.2.2 Основные технические данные уровнемера. Уровнемер обеспечивает: автоматическое дистанционное непрерывное определение положения границы раздела двух сред (уровня) с различными плотностями и отображение результата измерения на цифровом дисплее; выдачу результата измерения в виде выходного токового сигнала; ручной ввод двух значений (верхний и нижний) уровня, при превышении которых срабатывает звуковая и световая сигнализации; формирование выходных электрических сигналов при заданных значениях уровней в виде замыкания контактов реле и срабатывания оптрона; 13 автоматический непрерывный контроль исправности датчика и линии связи с индикацией результата. В уровнемере предусмотрена возможность подстройки на плотность измеряемой среды. Подстройка производится при пусконаладочных работах. Основные характеристики уровнемера: – число разрядов ....................................................................................... 4 – верхний предел измерения, м ........................................................... 2...15 – дискретность измерения, м ................................................................. 0,01 – нижний неизмеряемый уровень, м, не более ...................................... 0,2 – верхний неизмеряемый уровень, м, не более ..................................... 0,8 – основная погрешность, мм, не более .................................................. 10 – вариация показаний, мм, не более ........................................................ 10 – дополнительная температурная погрешность уровнемера на каж20 дые 10 °С измеряемой среды, мм, не более ........................................ – время установления показаний дисплея, с, не более .......................... 40 – выходной сигнал уровня – постоянный ток 0...5 мА; 0...20 мА; 0,08 4…20 мА с шагом дискретизации, м ………………………………….. 6.2.3 Устройство уровнемера. Уровнемер состоит из двух составных частей: датчика, устанавливаемого на резервуаре; измерителя, устанавливаемого на щите управления. Датчик и измеритель соединяются между собой кабелем типа PK-75 или РК-50. Конструктивно корпус датчика выполнен в двух исполнениях: гибкая конструкция (рисунок 7, а) - для рабочего избыточного давления не более 0,04 МПа; жесткая конструкция (рисунок 7, б) - для рабочего избыточного давления не более 1,6 МПа. Датчик состоит из измерительного элемента 1, помещенного в корпус 2, по которому перемещается поплавок 3 с магнитной системой внутри поплавка. Для крепления датчика на крышке люка резервуара предусмотрен сальниковый узел 4. Груз 5 обеспечивает натяжение трубы корпуса датчика гибкой конструкции. Измерительный элемент представляет из себя стальную проволокузвуковод диаметром 3 мм с намотанной на нее по всей длине однослойной обмоткой. На верхнем конце звуковода имеется резонатор с двумя пьезоэлементами. Обмотка и пьезоэлементы подключены к блоку усилителя, установленному в головке корпуса датчика. 14 а) б) Рисунок 7 – Варианты исполнения корпуса датчика: а – гибкая конструкция; б – жесткая конструкция Схема установки уровнемера У1500 на технологическом аппарате показана на рисунке 8, а, а его внешний вид – на рисунке 8, б. Уровнемер может иметь один или два датчика и один измеритель. Выпускается четырех типов: одноканальный с двумя сигнализируемыми уровнями и одним поплавком; одноканальный с четырьмя сигнализируемыми уровнями и одним поплавком; 15 двухканальный (двухдатчиковый) с одним поплавком на каждом датчике; двухпоплавковый (двухканальный, двухуровневый). а) б) Рисунок 8 – Установка уровнемера У1500 в резервуаре: а – установка в резервуаре; б – внешний вид Одноканальный уровнемер с двумя сигнализируемыми уровнями применяется для измерения одного уровня (общего уровня или межфазного). Одноканальный уровнемер с четырьмя сигнализируемыми уровнями используется для измерения уровня в буллитах и обеспечивает работу, например, ДНС по заданному алгоритму (4 сигнализируемых уровня, 4 реле). Двухдатчиковый (двухканальный) уровнемер предназначен для измерения двух уровней (общего взлива или межфазного) в одном резервуаре двумя датчиками при разнице между измеряемыми уровнями менее 400 мм, либо для измерения одного уровня в двух разных резервуарах. 16 Двухпоплавкой (двухканальный, двухуровневый) уровнемер используется для измерения двух уровней (общего взлива или межфазного) одним датчиком с двумя поплавками при разнице между измеряемыми уровнями не менее 400 мм. 6.3 Емкостные уровнемеры В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред, т.е. положение уровня жидкости преобразуется в изменение электрической емкости. Ёмкостный преобразователь является электрическим конденсатором, ѐмкость которого изменяется в зависимости от изменения уровня жидкости. Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения уровня преимущественно непроводящих жидкостей в широком диапазоне давлений и температур, независимо от агрессивности сред. Цилиндрический ѐмкостный преобразователь (рисунок 9) представляет собой две или несколько коаксиально расположенных труб. εв H h εж d D Рисунок 9 – Емкостной уровнемер для неэлектропроводных сред Основная погрешность связана с изменением диэлектрической проницаемости контролируемой среды при изменении температуры. Ёмкость цилиндрического преобразователя определяется формулой 17 С 2 0 H , D ln d (9) где Н, D и d – длина преобразователя и диаметры внешнего и внутреннего электродов соответственно; ε – диэлектрическая проницаемость среды между электродами. Общая емкость уровнемера С будет представлять собой сумму емкостей С = С0 + С1 + С2, (10) где С0 – емкость проходного изолятора; С1 – емкость части преобразователя, находящейся в слое жидкости высотой h; С2 – емкость части преобразователя, находящейся в газовом слое. Значения этих емкостей определяются по формулам С1 С2 2 0 ж h ; D ln d 2 0 г H h ; D ln d (11) (12) Поскольку εг ≈ 1, общая емкость будет равна С С0 2 0 h H 1 ж 1 . H D ln d (13) При измерении высоты уровня агрессивных, но не электропроводных жидкостей, а также электропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняются из химически стойких сплавов и каждую из обкладок покрывают тонкими плѐнками, обладающими высокими изолирующими свойствами. 7 Контрольные вопросы 7.1. В чем заключается разница между уровнемерами и сигнализаторами уровня? 7.2. Какие уровнемеры относятся к механическим? 7.3. Что такое магнитострикционный эффект? 7.4. Можно ли с помощью уровнемера У1500 измерять уровень раздела нефть – вода? 7.5. Для чего служит успокоительная труба? 7.6. В чем состоят конструктивные отличия емкостных уровнемеров для 18 проводящих и непроводящих сред? 7.7. Назовите основные источники погрешности для емкостных уровнемеров. 19
