Федеральное агентство по образованию
 |
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
 |
Кафедра автоматизации процессов химической промышленности
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И СИГНАЛИЗАЦИЯ
УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Методические указания
к учебно-исследовательской лабораторной работе 7 по курсу
«Автоматика и автоматизация производственных процессов»
Санкт-Петербург
2006
Составители:
канд. техн. наук, ассист. Н. А. Сягаев, канд. техн. наук, мл. науч. сотр. В. Н. Соколов,канд. техн. наук, доц. Д. В. Беляев (отв. ред.), канд. техн. наук, ст. преп. Ю. В. Якобсон.
В создании лабораторной установки принимал участие уч. мастер Ю. М. Смирнов.
Утверждено в качестве методических указаний для студентов дневного и вечернего отделений на заседании учебно-методической комиссии III —VIII факультетов ЛТИ им. Ленсовета 3.02.1984 г.
ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Целью работы является изучение методов, средств измерения, сигнализации и регулирования уровня жидкости.
В процессе выполнения учебно-исследовательской работы студенты знакомятся с конкретными типами приборов, с помощью которых реализуются различные способы контроля или измерения; изучают схемы автоматического регулирования и технологической сигнализации уровня; определяют погрешности измерения и исследуют процесс автоматического регулирования уровня жидкости в емкости.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ,
СИГНАЛИЗАЦИИ И РЕГУЛИРОВАНИИ УРОВНЯ
Технические средства, служащие для контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов или положения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, называются уровнемерами.
Общая классификация уровнемеров основывается на принципе действия их чувствительных элементов. В настоящее время для измерения уровня жидкостей получили наиболее широкое распространение следующие уровнемеры: визуальные, поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические и акустические.
Определение уровня с помощью визуальных уровнемеров основано на принципе сообщающихся сосудов. Такие уровнемеры называют указательными стеклами. Наблюдая за уровнем жидкости в прозрачной стеклянной трубке, можно судить о величине уровня жидкости в контролируемой емкости.
В поплавковых уровнемерах перемещение чувствительного элемента — поплавка — передается на показывающее устройство или на преобразователь перемещения (силы) в выходной сигнал. Возможны два принципа построения поплавковых уровнемеров. В первом случае поплавок плавает на поверхности жидкости, величина погружения его в жидкость постоянна, так как подъемная сила, действующая на поплавок, уравновешивается силой тяжести поплавка. В таких уровнемерах (с поплавком постоянного погружения) поплавок повторяет изменение уровня жидкости.
Во втором случае поплавок, имеющий форму удлиненного цилиндра (буйка), частично погружен в жидкость, и величина его погружения зависит от значения уровня, т. е. подъемная (выталкивающая) сила, действующая на поплавок со стороны жидкости, уравновешивается силой упругого элемента (пружины), изменяющейся при перемещении поплавка. В таких уровнемерах (с поплавком переменного погружения) сила, выталкивающая поплавок, определяется значением уровня жидкости. Наибольшее распространение получили буйковые уровнемеры, которые выполняются по схеме компенсации силы и преобразуют значение уровня в стандартный пневматический или электрический сигнал. Эти сигналы измеряются с помощью соответствующих серийных измерительных приборов.
Измерение уровня жидкости постоянной плотности с помощью гидростатических уровнемеров сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. 
(где Р — давление столба жидкости; ρ — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; Н — высота столба жидкости).
Существуют гидростатические уровнемеры двух типов: с непосредственным измерением давления столба жидкости и с непрерывным продуванием воздуха или газа через столб жидкости.
Для непосредственного измерения давления столба жидкости в емкости используют манометры или дифманометры. При измерении уровня с помощью дифманометра одно колено (или камеру) соединяют с уравнительным сосудом, наполненным до определенного уровня жидкостью, находящейся в емкости. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение постоянства столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота уровня во втором колене (камере) дифманометра меняется с изменением уровня в резервуаре. Таким образом, каждому значению уровня соответствует определенный перепад давлений. Указанными уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях, в закрытых резервуарах, находящихся под избыточным давлением или разряжении.
Уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические) применяют для измерения уровня самых разнообразных жидкостей (агрессивных, вязких, загрязненных и т.д.). В этом случае в емкость с жидкостью, уровень которой надо измерить, помещают пьезометрическую трубку, через которую непрерывно продувается (барботирует) сжатый воздух (газ). С начала подачи воздуха (газа) давление будет повышаться до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости. При превышении последнего газ из трубки будет барботировать через жидкость. Давление воздуха (газа) в пьезометрической трубке характеризует положение уровня жидкости в емкости и может быть измерено любым манометром с соответствующими пределами измерений.
Расход воздуха (газа) регулируют редуктором так, чтобы он проходил отдельными пузырьками (60—100 пузырьков в минуту при наибольшем значении уровня). Для контроля за расходом воздуха применяются прозрачные контрольные сосуды или ротаметры. При измерениях уровня, основанных на законах гидростатики, плотность жидкости, зависящая от ее состава и температуры, должна быть постоянной. Если стабилизировать значение плотности по технологическим условиям производства не представляется возможным, требуется введение соответствующей коррекции показаний уровнемеров в функции изменения состава и температуры измеряемой среды.
Из электрических уровнемеров чаще других используются приборы с емкостными преобразователями, чувствительными элементами которых являются электрические конденсаторы (емкостные преобразователи) специальной конструкции. Это — либо цилиндрический конденсатор, выполненный в виде двух концентрически расположенных металлических трубок; либо конденсатор, одной обкладкой которого является стержень, опущенный в контролируемую емкость, а другой — металлическая стенка самой технологической емкости. Для измерения уровня электропроводящих жидкостей трубки (стержень) покрываются винипластом или фторопластом. Принцип действия емкостного уровнемера основан на изменении соотношения диэлектрических проницаемостей воздухаи среды, уровень которой измеряется.
Емкость преобразователя уровнемера измеряется с помощью мостовых схем переменного тока.
В акустических уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых волн (частоты свыше 15000 Гц) от границы раздела жидкость — газ, поэтому такие уровнемеры называются еще и ультразвуковыми. В зависимости от уровня жидкости меняется фазовый сдвиг между излученным генератором и принятым приемником отраженным сигналом, который и измеряется измерительной схемой.
В технологических процессах часто применяются промежуточные емкости и сборники готового продукта. Поэтому задача контроля и регулирования уровня является важным показателем реализуемого технологического процесса.
Для нормального протекания процесса наиболее часто необходимо выполнение двух требований — емкость не должна опорожняться и переполняться, что достигается выбором минимального значения уровня, при котором жидкость подается в емкость (так как в указанном случае запас продукта достаточен для работы лишь на непродолжительное время), и максимального значения, при котором подача жидкости должна быть прекращена (поскольку в противном случае произойдет перелив). Разность установленного максимального и минимального значений представляет собой нейтральную зону или зону нормального значения параметра, т. е. уровень находится в пределах заданного значения.
Контроль уровня может быть реализован в зависимости от условий производства с помощью перечисленных ранее уровнемеров. Регулирование уровня достигается подачей жидкости в емкость, либо изменением ее расхода из емкости. Подачей (расходом) жидкости можно управлять непосредственно у самой емкости с помощью местного поста управления или дистанционно со щита, управления вручную (оператором) или автоматически.
При автоматическом управлении при достижении уровнем заданных минимальных или максимальных значений обеспечиваются включение и выключение запорного органа или насоса. Эти процессы могут быть осуществлены позиционными регуляторами или двухпозиционными регулирующими устройствами, встроенными в измерительные приборы. Данные устройства используются также для построения системы технологической сигнализации, необходимой для оповещения обслуживающего персонала о наступлении тех или иных событий в управляемом объекте.