Методы непрерывного измерения уровня. Физический принцип

 

Аннотация

Курсовая работа  содержит 39 страниц машинописного текста, 13 рисунков, 9 таблиц.

В данной работе рассматривались  измерения непрерывного уровня и принципы их работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение 4

Раздел 1. Основные теоретические сведения 5

1.1 Общие свойства измерителей уровня 5

1.2 Основные методы непрерывного измерения уровня 7

Раздел 2. Реальные устройства и их применение 18

2.1 Продукция фирмы Pepperl+Fuchs GmbH. 18

Раздел 3. Сравнение реальных датчиков 34

Гидростатические зонды для измерения уровня LGC 34

Ультразвуковые датчики серии LUC4 34

Датчик  LTC серии Pulscon 36

Датчики серии LUC-T 36

Заключение 38

Список литературы 40

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связано с измерением уровня.

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами во многих отраслях промышленности. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения. Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

Данная тема актуальна, так  как современные системы автоматизации  производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих  оценить затраты, предотвратить  убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность  использования сырья. Этот постоянно  возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в  системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное  измерение.

Целью данной курсовой работы является анализ существующих датчиков непрерывного измерения уровня, их достоинств и недостатков.

 

Раздел 1. Основные теоретические сведения

1.1 Общие свойства измерителей уровня

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами в химическом, нефтехимическом и нефтеперерабатывающем  производствах, в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов, в системах экологического мониторинга и во многих других отраслях. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.

Уровнемер – это прибор для промышленного измерения  или контроля уровня жидкости и сыпучих  веществ в резервуарах, хранилищах, технологических аппаратах и  т.п. Уровнемеры так же называют датчиками  уровня, преобразователями уровня.

Уровнемеры позволяют  автоматизировать управление и контроль в технологических процессах; т.е. снизить влияние человеческого  фактора, что позволяет, с одной  стороны, повысить качество продукции  и оптимизировать расход сырья, а, с  другой, снизить требования к квалификации и опыту персонала.

В первую очередь уровнемеры подразделяются по продукту (веществу), уровень которого измеряется. Бывают:

– датчики уровня для  жидкостей (вода, растворы, суспензии, нефтепродукты, масла и т.п.);

– датчики уровня для  сыпучих веществ (порошки, гранулы  и т.п.).

Существует широкая номенклатура средств контроля и измерения  уровня, использующих различные физические методы: гидростатический, ультразвуковой, направленное электромагнитное излучение, (радарный, с использованием магнитных погружных зондов), микроволновый и радиоволновый метод. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический), наличие мешалки, огнеопасность, взрывоопасность и другие.

Устройства для измерения  уровня жидкостей можно подразделить на

следующие:

- гидростатические, основанные на измерении гидростатического

давления столба жидкости;

- электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости;

- ультразвуковые, основанные на принципе отражения от поверхности звуковых волн;

- радарные и  волноводные, основанные на принципе отражения от поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ);

Помимо классификации  уровнемеров по принципу действия, эти

приборы делятся на: 

- приборы для непрерывного  слежения за уровнем;

- приборы для сигнализации  о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня).

1.2 Основные методы непрерывного измерения уровня

Приборы для непрерывного контроля уровня жидких и сыпучих  материалов создаются с применением  различных физических принципов и методов измерения (табл. 1).

Таблица 1. Возможности  применения различных методов измерения  уровня

Метод	Непрерывное измерение уровня
	жидкости	сыпучие материалы
Гидростатический	Да	Нет
Ультразвуковой	Да	Да
Направленное  электромагнитное излучение (радарный, микроволновый и  радиоволновый методы)	Да	Да
С использованием магнитных погружных зондов	Да	Нет

 
Фирма Pepperl+Fuchs предлагает широкую номенклатуру измерительных устройств и соответствующих  средств сопряжения. Предлагаются уровнемеры с унифицированными выходными токовыми сигналами        4…20мА, с двухпроводными цифровыми коммуникационными промышленными интерфейсами, такими как HART, PROFIBUSPA и  Foundation Fieldbus, их модификации для установки во взрывоопасных зонах класса 0, а также законченные решения на базе измерительных приборов, контроллеров, средств сопряжения с устройством управления и дополни тельного оборудования (табл.2).

 

 

 

 

 

 

Таблица 2. Средства для сопряжения датчиков уровня*

Датчики уровня			Устройства управления/средства сопряжения/ дополнительное оборудование		Взрыво-защищённое исполнение
тип/серия	обозначение	выход	обозначение	назначение
Vibracon	LVL1-M1/M2	NAMUR	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
	LVL1-MC2	NAMUR	KFA6-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Кондуктометрический зонд	LKL-M	NAMUR	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Магнитный погружной  зонд	LML	Магнитный переключатель («сухой» контакт)	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Поплавковый выключатель	LFL-N	NAMUR	KFA6-SR2-EX2.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Barcon	LHC-M	4…20 мА	KFD2-CR-1300	Источник питания	Нет
	PPC-M	4…20 мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
Ультразвуковой  датчик	LUC-M	4…20 мА	KFD2-CRG-1.D	Источник питания	Нет
Pulscon	LTC	4…20 мА	KFD2-CRG-EX1.D	Источник питания, контроль двух предельных значений уровня	Да
		4…20 мА	DA5-IU-2K-C	Источник питания, контроль двух предельных значений уровня	Нет
		4…20 мА/HART	KFD2-STC4-1.20	Источник питания	Нет
		4…20 мА/HART	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
		PROFIBUS-PA	KFD2-BR-EX1.3PA93	Сегментный соединитель	Да
		PROFIBUS-PA	KFD2-BR-1.PA93	Сегментный соединитель	Нет
		Foundation Fieldbus	KLD2-PR-EX1-IEC	Источник питания FISCO+Entity**	Да
		Foundation Fieldbus	KLD2-PR-EX1-IEC1	Источник питания FISCO**	Да
		Foundation Fieldbus	KLD-PR-1.IEC	Источник питания	Нет
Гидростатический  зонд	LGC	Термопреобразователь сопротивления Pt100	KFD2-UT-1	Преобразователь	Нет
		Термопреобразователь сопротивления Pt100/4…20мА	KFD2-CR-1300	Источник питания	Нет
		Термопреобразователь сопротивления Pt100	KFD2-UT-EX1	Преобразователь	Да
		Термопреобразователь сопротивления Pt100/4…20мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
Магнитный погружной  зод	LMC	4…20 мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
		Потенциометрический	KFD2-PT2-EX1	Источник питания	Да

* В таблицу сведены  данные об уровнемерах непрерывного  действия и о сигнализаторах уровня

** FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, отчёт PTB W53) и Entity — две концепции, основанные на разных подходах к взрывозащищённым промышленным шинам. Их основное различие лежит в области кабельной электропроводки. Согласно Entity индуктивность и емкость электрического кабеля, а следовательно, и электрическая и магнитная энергия сосредоточены на отдельных участках цепи (американская модель). Концепция FISCO рассматривает электрическую цепь (электропроводку) как цепь с распределёнными параметрами индуктивности и ёмкости. По концепции Entity при оценке искробезопасности цепи должны учитываться параметры кабеля, поэтому соответствующие вычисления являются достаточно сложными. Причём, максимум только шесть устройств может быть подключено к промышленной сети, и если сегмент промышленной сети должен быть дополнен ещё одним устройством, то необходимо снова выполнять оценку искр безопасности.

По концепции FISCO необходимо просто сертифицировать отдельные  устройства, подключаемые к промышленной сети. В сертификате на ретранслятор энергии (power repeater) однозначно определяются параметры электропроводки и  полевых приборов, которые могут  быть подключены, исходя из требований обеспечения безопасности соединения. Более подробно эти концепции описаны в 1таблице.

Гидростатический  метод измерения уровня

Данный метод измерения  уровня основан на определении гидростатического  давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического  давления на дно резервуара (p) зависит  от высоты столба жидкости над измерительным  прибором (h) и от плотности жидкости (ρ):   p=ρgh, соответственно h=p/ρg, где  g=9,81 м/c2 (это справедливо только для неподвижных жидкостей). Пьезорезистивный тензодатчик (или ёмкостный керамический измерительный преобразователь, который не заполнен усредняющим давление веществом) связан с измеряемой жидкостью через изолирующую мембрану из нержавеющей стали и вещество, усредняющее давление. Выходной сигнал тензодатчика преобразуется формирователем в сигнал, соответствующий уровню жидкости. Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Основные достоинства  гидростатического метода:

+ точность;

+ применим для загрязнённых  жидкостей;

+ реализация метода не  предполагает использования подвижных  механизмов;

+ соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом обслуживании.

Недостатки:

– движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Бернулли);

– атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

– изменение плотности  жидкости может быть причиной ошибки измерения.

Методы определения  уровня по времени прохождения сигнала

Методы, основанные на измерении  времени прохождения сигнала, используют принцип эхолота и подразделяются на две основные группы: ультразвуковые (УЗК) и методы направленного электромагнитного  излучения. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды. В табл. 5 приведены значения времени прохождения ультразвуковым сигналом и электромагнитной волной некоторых расстояний в воздушной среде при нормальных условиях (двойное расстояние уже учтено); эти данные помогают учесть инерционность УЗК метода в некоторых применениях. Таблица 5. Время прохождения различных расстояний ультразвуковым сигналом и электромагнитной волной

 

Расстояние, м	Время прохождения
	ультразвуковой сигнал	электромагнитная волна
0,1	0,6 мс	0,7 нс
0,2	1,2 мс	1,3 нс
0,5	3 мс	3,3 нс
1	6 мс	6,6 нс
2	12 мс	13,3 нс
5	30 мс	33,3 нс
10	60 мс	66,6 нс

 

Ультразвуковые  датчики уровня

В простейшем и наиболее распространённом случае, когда УЗК  датчик  расположен в верхней  точке резервуара, уровень среды  вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды (в общем случае необходимо вносить поправку, учитывающую разность между реальной высотой установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рис. 7).