2.1.2. Измерение давления

Давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давление во многом определяет ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. По принципу действия манометры бывают:

а) жидкостные;

б) деформационные;

в) грузопоршневые;

г) электрические.

Жидкостные манометры – отличаются простотой конструкции и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко применяют, как в качестве переносных, так и технических приборов для измерения давления. Жидкостные приборы также используются при поверке и градуировке манометров других видов. Для технических измерений применяются так называемые комбинированные жидкостно-механические приборы. К ним относятся:

а) поплавковые;

б) колокольные;

в) кольцевые.

Поплавковые дифманометры – представляют /5/ собой жидкостные манометры U-образные, одно из колен расширено и в него помещен поплавок.

Колокольные приборы используют для измерения малых давлений и разряжений в качестве дифференциальных манометров. Состоит прибор из сосуда, заполненного жидкостью, в который погружен колокол. Под колокол по трубке подается измеряемое давление.

Под действием разности давления появляется усилие, перемещающее колокол вверх. Для нахождения зависимости перемещения колокола от разности давления используют архимедову силу, груз и пружину. При возрастании давления колокол будет подниматься до тех пор пока не уравновесится выталкивающей силой.

Кольцевой манометр относится к жидкостным и отличается от U-образных манометров способом измерения давления. Кольцевыми манометрами можно измерять малые давления разряжения и разности давления.

Деформационные манометры – принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления, упругой деформацией чувствительного элемента. Такими элементами могут быть:

- одновитковая трубчатая пружина;

- многовитковая трубчатая пружина;

- мембрана;

- сильфон.

Чувствительный элемент преобразовывает постоянное давление, в усилие, которое перемещает стрелку.

В зависимости от названия манометры могут быть:

а) показывающие;

б) регистрирующие;

в) преобразующие;

г) регистрирующие;

д) сигнализирующие;

Имея небольшие размеры, простую и надежную конструкцию они могут измерять давление в широком диапазоне от нескольких паскаль до тысяч мегапаскаль.

Грузопоршневые манометры – предназначены для поверки пружинных манометров. К достоинству грузопоршневых манометров относится высокая точность. Они имеют большие размеры и используются в основном в лабораториях, по конструкции они образуют грузопоршневой пресс. Измеряют давление до 16 кгс/см², создаваемого грузом. Для измерения более высокого давления используются гидравлические пресса /3/.

Электрические манометры – это преобразователи, у которых чувствительный элемент преобразует измеряемое давление в одну из электрических величин. Различают следующие электрические манометры:

а) емкостные;

б) пьезоэлектрические;

в) манометры электрического сопротивления;

Емкостные манометры. При изменении измеряемого давления один из электродов прогибается под действием давления. Расстояние между ними уменьшается, а емкость конденсатора возрастает. Выходной сигнал подается на измерительную схему. Измерительная схема – это реактивный неуравновешенный мост и манометр является ключевым элементом такого моста. Изменение его емкости меняет равновесие моста и напряжение в измерительной диагонали которое детектируется и сигнал постоянного тока показывает измеряемое давление.

Пьезоэлектрический манометр. Принцип действия /5/ основан на зависимости величин зарядов генерируемых кристаллами от измеряемого давления. Такими кристаллами могут быть кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария. Измеряемое давление от 2,5 до 100 мПа. Т.к. заряды маленькие, то их измеряют косвенным методом, применяя ламповые или электростатические вольтметры. К достоинствам манометров такого типа относят безъинерционность, т. е мгновенное появление и изменения зарядов /3/. Применяются для измерения давлений быстропротекающих процессов. Точность 1,5-2%.

Манометры электрического сопротивления. Принцип действия основан на принципе тензоэффекта в проводниках. Тензорезистор – это пленка, нанесенная на монокристалл сапфира. Под действием давления монокристалл упруго деформируется, создавая механическое усилие на тензорезисторе. Изменяется его электросопротивление, которое преобразуется в пропорциональный выходной сигнал постоянного тока (0-5 мА). Класс точности от 0,25 до 1,5. Для измерения давления современная отечественная промышленность предлагает широкий спектр методов измерения. Все приборы имеют отличные метрологические показатели, просты и надежны в эксплуатации, совместимы с многоканальными многофункциональными вторичными приборами, имеют соответствующую степень защиты. Для контроля давление в абсорбере выбран преобразователь избыточного давления ОВЕН ПД 100-ДИ. Выходной сигнал 4-20 мА, предел измерения 100 кПа до 100МПа, высокая степень защиты – IP65.

2.1.3 Контроль уровня

В настоящее время существует обширный ряд технических средств, приборов решающих задачу измерения и контроля уровня в промышленном производстве. Приборы измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. Наиболее распространенные методы измерения уровня, позволяющие преобразовывать значение уровня в электрические величины и производить автоматизацию производственных процессов это:

I . Контактные методы (поплавковый, емкостной, гидростатический, буйковый)

II . Бесконтактные методы (зондирование ультразвуком, зондирование электромагнитным излучением)

Каждый метод имеет характерный набор технических реализаций, расширяющийся с развитием измерительной техники. Методы, используемые для сигнализации наличия (отсутствия) рабочей среды часто те же что и для измерения уровня, однако, существуют и отличия (например, кондуктометрические сигнализаторы уровня).

Емкостной метод – более простой и дешевый. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый - среда не должна налипать и образовывать отложения на ЧЭ. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред (размер гранул – до 5 мм.). Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является – однородность среды, среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения ЧЭ.

ЧЭ емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае проводящей жидкости ЧЭ покрывается изолятором, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости ЧЭ, преобразуемой в выходной электрический сигнал. Условия применения емкостных датчиков по характеристикам рабочей среды: температура -40…+200 ºС, давление – до 2,5 МПа, диапазон измерения – до 3м. (30 м. – для гибких и тросовых ЧЭ).

Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход соединяется с атмосферой - в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением. Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и колокольные (погружные). В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение ЧЭ (мембраны) соответствует минимальному уровню. В случае колокольного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке

Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25-и метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40..+120°С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

Буйковый метод.

Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры. На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая сопло (пневматические уровнемеры).

Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м. при температурах – 50..+120ºС (в диапазоне +60..120ºС при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120..400°С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0,25..1,5%. Плотность контролируемой жидкости: 0,4…2 г/см3

Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Ультразвуковые бесконтактные уровнемеры осуществляют зондирование рабочей зоны волнами ультразвука, т.е. волнами давления с частотой свыше 20 КГц. Они используют свойство ультразвуковых волн отражаться при прохождении границы двух сред с различными физическими свойствами. Поэтому, чувствительный элемент ультразвукового уровнемера состоит из излучателя и приемника колебаний, которые, как правило, конструктивно совмещены и представляют собой кварцевую пластину. При подаче на пластину переменного напряжения возникают деформации пластины, передающие колебания воздушной среде. Подача напряжения производиться импульсами и по завершении передачи, пластина превращается в приемник отраженных ультразвуковых колебаний, вызывающих колебания пластины и, как следствие, появление выходного напряжения (обратный пьезоэффект). Расстояние до границы раздела двух сред вычисляется по формуле: Н= V * t /2 , где V – скорость ультразвуковых волн в данной среде, t – время между началом излучения и приходом отраженного сигнала, определяемое электронным блоком уровнемера.

Как правило, наиболее распространен вариант установки ультразвукового датчика в верхней части емкости. При этом сигнал проходит через воздушную среду, отражаясь от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим. Существует, также, вариант установки датчика в дно емкости. Сигнал в этом случае отражается от границы с менее плотной средой.

Скорость распространения ультразвука зависит от температуры - около 0,18% на 1ºС. Для устранения этого влияния в УЗ уровнемерах применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Диапазон работы УЗ уровнемеров – до 25 м. при неизмеряемом уровне – около 1 м. Температура рабочей среды: -30..+80(120) ºС, давление – до 4 МПа.

Ультразвуковые уровнемеры позволяют достигать погрешности измерения уровня в 1%. Они могут использоваться для агрессивных сред и для сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихся жидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучих продуктов. Вместе с тем, они существенно дешевле радарных микроволновых уровнемеров. УЗ уровнемеры часто используются для измерения расхода в профилированных каналах.

Микроволновые радарные уровнемеры

Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона.

В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и FMCW ( frequency modulated continuous wave ).

В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно частотно модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямо пропорциональна расстоянию до контролируемого объекта. Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности. Обычно, рабочая частота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до 26 ГГц. Чем более высока частота, тем более узок луч и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение.

Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой 5,8..10 ГГц.

Другой важной характеристикой влияющей на формирование сигнала является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала.

Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35..40 м. (в условиях спокойной поверхности)

Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции.

Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня. Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до ± 1 мм) и применяются в системах коммерческого учета.

Радарные уровнемеры - наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до ± 1 мм), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.

Проанализировав выше перечисленные методы измерения уровня, я делаю вывод о том, что для измерения уровня в расходных емкостях погружной зонд для измерения уровня агрессивных жидкостей.