ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Принцип действия волнового радарного уровнемера

Национальный исследовательский ядерный университет

«Московский инженерно-физический институт»

Домашнее задание

По курсу «Техника и методы физических измерений и физических расчетов».

Выполнил:

Ст. гр. Ф6-07

Попов С.А.

Москва 2014

Вариант № 7

Предложить и обосновать принцип работы прибора для измерения массы жидкости.

С целью контроля технологического процесса.

Объект измерений ректификационная колонна.

4. Диапазон изменения измеряемой величины 0-*10 тн

5. Интервал изменения температуры объекта 293-363 °К.

(277-497°С)

Постоянная времени прибора 1 сек.

Составить структурную схему прибора.

Представить эскиз конструкции измерительного преобразователя.

Рассчитать характеристики сигналов преобразователя.

Оценить чувствительность датчика.

Представить схему включения датчика в измерительную систему.

Оценить погрешности измерений.

1. ВВЕДЕНИЕ

Поставленная задача предполагает определение массы жидкости посредством измерения расхода поступающей в колонну жидкости либо контроля уровня жидкости с последующим пересчетом с учетом известного объема колонны и плотности жидкости в массу. Так как технологический процесс ректификации предполагает непрерывный подвод исходного сырья и отвод готовых продуктов, то учет массы жидкости при помощи расходомеров неудобен и сложен. В связи с этим предлагаю измерять уровень жидкости датчиком уровня.

Под уровнем понимают степень заполнения технологических аппаратов и емкостей жидкостью. Измерение уровня осуществляется в технологических аппаратах, с цель управления режимом их работы. Сейчас есть много принципов измерения уровня. Чаще используются следующие срества измерений уровня (уровнемеры): визуальные., поплавковые, буйковые, ультразвуковые, гидростатические, радарные, волновые радарные, емкостные.

Уровнемеры с контактными методами измерения уровня:

· волноводный (стержневой) уровнемер;

· поплавковый уровнемер;

· емкостной уровнемер;

· гидростатический уровнемер;

· буйковый уровнемер.

Уровнемеры с бесконтактными методами измерения уровня:

· уровнемеры, зондирующие звуком;

· уровнемеры, зондирующие электромагнитным излучением;

· уровнемеры, зондирование радиационным излучением.

2. ВЫБОР ДАТЧИКА

Поплавковые датчики уровня - это самые простые уровнемеры по конструкции и принципу действия. Конструктивно состоят из поплавка с магнитом внутри и корпуса с магнитными (герконовыми) контактами, срабатывающими при приближении магнита, либо поплавка напрямую соединенного с электрическим переключателем, который срабатывает при достижении определенного уровня жидкости в емкости. При правильном выборе поплавковые датчики уровня устойчивы к пене и пузырькам в жидкости, могут работать с очень вязкими жидкостями, а также при высоких температурах и давлениях. Простота конструкции поплавковых датчиков обеспечивает им надежность и экономичность в обслуживании. Для измерения уровня вязких, неоднородных жидкостей, а так же жидкостей с твердыми включениями или засыхающих жидкостей необходимо использовать специальные поплавковые датчики с герконами.

Рис. 1 Поплавковый датчик (реле) уровня

Поплавковый датчик (реле) уровня применяется в отапливаемых помещениях для контроля уровня неагрессивных жидкостей. На рисунке показано схематическое устройство реле. В резервуар 10 погружается поплавок 1, подвешенный на гибком контакте через блок 3 и уравновешенный грузом 6. На контакте закреплены упоры 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 8. При поворотах коромысло замыкает соответственно контакты 7 или 9, включающие или отключающие электродвигатель насоса.

Принцип действия герконов

Принцип действия герконов основан на использовании сил взаимодействия, возникающих в магнитном поле между ферромагнитными телами. При этом силы вызывают деформацию и перемещение ферромагнитных токопроводов электронов.

Магнитоуправляемый контакт (геркон) представляет собой электрический аппарат, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического размыкания или замыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов, пружин и участков электрической и магнитной цепей. Предельная температура применения герконов до

100 ⁰С.

Ректификационная колонна— цилиндрический вертикальный сосуд постоянного или переменного сечения, оснащенный внутренними тепло- и массообменными устройствами и вспомогательными узлами, предназначенный для разделения жидких смесей на фракции, каждая из которых содержит вещества с близкой температурой кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр, внутри которого располагаются контактные устройства — тарелки или насадки. Соответственно различают ректификационные колонны тарельчатые и насадочные. Вспомогательные узлы предназначены для ввода, распределения и аккумулирования (сбора) жидкости и пара. Нагреваемая жидкая смесь поступает из контейнера в ректификационную колонну, где «легкие» фракции (продукты, имеющие более низкую температуру кипения) концентрируются в верхней части колонны, а «тяжелые» (продукты, имеющие более высокую температуру кипения) — в нижней. Этанол с концентрацией около 95,6 % это неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержащая 4,4 % воды и имеющая температуру кипения 78,15 °C. В связи с высоким интервалом изменения температуры объекта (до 497 ⁰С) можно предположить, что в ректификационной колонне происходит разделение фракций углеводородов.

Типичной технологической установкой нефтеперерабатывающего завода является ректификационная колонна, в которой сырая нефть разделяется на фракции. Обессоленная нефть подогревается до 400-500 °C и подается в ректификационную колонну. На разных стадиях с помощью разных методов перегонки получаются различные продукты. Помимо измерения температуры для управления процессом перегонки необходимо измерение уровня в нижнем кубе ректификационной колонны. При превышении предельной отметки верхнего допустимого уровня должен срабатывать предупредительный сигнал и производится отключение подающих насосов, так как попадание фракций куба в тарелки нарушит технологический процесс ректификации. При опускании уровня ниже допустимой нижней отметки должен быть послан сигнал на отключение откачивающих насосов

В связи с высокими температурой и вязкостью нефтепродуктов применение поплавковых и буйковых датчиков недопустимо. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением [ 3]- стр. 561. В нефтеперегонных ректификационных колоннах давление, как правило, избыточное.

В связи с вышеизложенным, предлагается использовать в уровнемерных колонках ректификационной колонны, уровнемер, работающий по принципу направленных микроволн.

Принцип действия волнового радарного уровнемера

Принцип действия основан на распространении высокочастотных радиоколебаний в волноводе, размещенном в жидкости и измерении отражения этих колебаний от уровня раздела жидкость-газ или жидкость-жидкость с разными диэлектрическими проницаемостями. Математическое описание аналогично радарным и ультразвуковым уровнемерам, в которых источник радиоимпульса или акустического импульса расположен над поверхностью жидкости.

Н=L-H₁

H₁=с*T_n/2

H=L-с* T_n/2

Интервал времени между импульсами Тn однозначно определяет значение уровня Н в аппарате. с – скорость распространения радиоволн в газе. L- длина волновода до крепежного фланца.

Отличие волнового радарного уровнемера заключается в том, что радиоимпульс S передается от передатчика 2 в волновод 4, который в простейшем случае может представлять собой коаксиальный кабель, подобный телевизионному. Волновод помещен в уровнемерную колонку 1 ректификационной колонны. Крепёжный фланец уровнемера закреплен на крышке 7 колонки. От передатчика 2 высокочастотные электромагнитные импульсы низкой энергии, порожденные электрической схемой датчика, распространяются вдоль волновода 4, погруженного в измеряемую жидкую среду. Когда эти импульсы достигают поверхности измеряемой среды 6, часть энергии импульса E отражается и передается обратно вверх по волноводу 4, а электрическая схема вычисляет уровень на основе разницы во времени между моментами отправки и получения сигнала. Для того чтобы можно было сделать выводы об уровне среды 5 в колонке 1, волновод 4 доходит до дна колонки 1.

При измерении уровня посредством направленных высокочастотных измерительных сигналов используется физическое обстоятельство, что определенная доля Е направленного на волновод 4 высокочастотного измерительного сигнала S попадает на поверхность раздела двух сред в разными значениями диэлектрической проницаемости. Отраженная доля Е при этом тем выше, чем сильнее разнятся значения диэлектрической проницаемости обеих сред. В этой связи говорят также о скачке импеданса. Скачок импеданса происходит в данном случае тогда, когда измерительный сигнал S попадает на поверхность 6 среды 5. Отраженная доля Е измерительного сигнала проявляется на эхо-кривой как выраженный пик или так называемый полезный эхо-сигнал. Сама эхо-кривая представляем амплитуды измерительного сигнала в зависимости от времени прохождения или от пройденного пути. Блок 3 регулирования/обработки определяет время прохождения этого полезного эхо-сигнала и вычисляет на этой основе при известной высоте колонки 1 уровень среды 5 в нём.

Рис. 2 Схема включения датчика в измерительную систему.

Блок 3 содержит генератор, передатчик, приемник и усилитель радиосигнала, а также усилитель интервалов времени. Для регулирования заданного диапазона измеряемой величины 0-10 тн., то есть уровня от 0 до некоторого значения блок 3 регулирования/ обработки преобразует интервалы времени прохождения между посылкой и приемом первого и второго импульса (эхо-сигнала) в аналоговый выходной сигнал, изменяющийся в пределах 4 … 20 мА. Далее аналоговый сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь АЦП, который преобразует его в цифровой сигнал с поддержкой цифровых протоколов:HARTи в дискретизированном виде передаётся на контроллер.

HART-протокол— цифровой промышленный протокол передачи данных. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол — это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА.

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц. HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4—20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20 мА. HART-протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу:

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом — обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме — датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

Контроллер передает информацию о положении уровня на компьютер оператора и при достижении предельных отметок верхней и нижней допустимых границ посылает управляющий сигнал на электроприводы задвижек и подающих или откачивающих насосов.

Электропривод подающего насоса

Электропривод откачивающего насоса

Монитор (устройство вывода)

Рис. 3 Структурная схема прибора

Постоянная времени прибора определяется длительностью преобразования аналогового сигнала в цифровой. Поэтому аналогово-цифровой преобразователь подбирается таким образом, чтобы его постоянная времени была не более 1 секунды.

Рис.4 Эскиз конструкции уровнемера с коаксиальный зондом и фланцевым присоединением.

Рис. 5 Схема установки уровнемеров на ректификационную колонну.

Фирма VEGA Grieshaber KG (Германия) выпускает различные типы уровнемеров. Исходя из задания для интервала изменения температуры объекта (277-497 0С) предпочтительным выбором является уровнемер VEGAFLEX 86. Стержневой зонд уровнемера VEGAFLEX 86 и труба уровнемерной колонки вместе образуют идеальный волновод. Высокая надежность и функциональность уровнемера позволяют также выполнять сигнализацию уровней заполнения в пределах всего диапазона непрерывного измерения. Измерение не зависит от температуры, давления или колебаний плотности измеряемой среды. Налипания и сварные швы на стенках уровнемерной колонки, а также налипания на зонде уровнемера не оказывают влияния на измерение. Температура процесса может составлять до 500 °C, а давление процесса – до 400 бар.

Рис. 6 Общий вид уровнемера VEGAFLEX 86

Технические характеристики уровнемеров
Исполнение	сменный тросовый зонд (ø 2 мм, ø 4 мм) сменный стержневой зонд (ø 16 мм) коаксиальный зонд ( ø 42 мм)
Диапазон измерения	тросовый зонд до 75 м стержневой зонд до 6 м коаксиальный зонд до 6 м
Присоединение	Резьба G1½, 1½ NPT, фланцы от DN 50, 2“
Температура процесса	-196 … +500 °C
Давление процесса	-1 … +400 бар (-100 … +40000 кПа)
Точность измерения	+/- 2 мм

Заключение.

При выполнении работы был предложен радарный принцип работы уровнемера с возможностью передачи сигналя через АЦП для последующей обработки в микропроцессоре и подачи управляющих сигналов на электроприводы откачивающих и питательных насосов, также вывод информации об уровне в компьютер для динамического пересчета уровня в массу.

Проработаны вопросы структурной и принципиальной схемы устройства. В работе описан алгоритм функционирования уровнемера в качестве прибора, контролирующего технологический процесс путем измерения уровня, и следовательно массы жидкости.

Библиография:

1. Н.Н.Евстихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров –М. Энергоатомиздат, 1990;

2. К.Л. Куликовский, В.Я. Купер «Методы и средства измерений» -М. Энергоатомиздат, 1986;

3. В.П. Преображенский, «Теплотехнические измерения и приборы» - м. Энергия, 1978.

Интернет – ресурсы:

1. Уровнемер

http://www.vega-rus.ru/products/level_measurement/capacitive_level/