ФЭА / АИТ / Стенд КИПИА Все приборы Описание работы
(автор - student, добавлено - 7-04-2014, 18:51)
СКАЧАТЬ:
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….….4 ПРАВИЛА ВНУТРЕННЕГО РАСПОРЯДКА И ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ…………………………….….6 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ…………………………………………………….……7 ЦЕЛЬ РАБОТЫ………………………………………………………………………9 СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ………………………………………………………….10 1. Описание лабораторного стенда контрольно-измерительных приборов и автоматики Yokogawa……………………………………………………………...10 1.1. Комплекс технических средств………………………………………12
2.1. Кориолисовые расходомеры….............................................................15 Кориолисовый массовый расходомер ROTAMASS……………………….18 2.2. Вихревые расходомеры………………………………………………20 Вихревой расходомер DY…………….……………………………………..23 2.3. Электромагнитные расходомеры…………………………………….25 Электромагнитный расходомер AXF……………………………………….26 2.4. Расходомеры переменного перепада давления…………..…………28 Датчик малого расхода EJA 115……………………………………………30 2.5. Ротаметры……………………………………………………………..32 Ротаметр с малым ходом RAMC……………………………………………34
3.1. Вибрационные выключатели уровня VEGASWING……..…..…….37 Вибрационные выключатели уровня VEGASWING-63…………………...38 3.2. Радарные уровнемеры серии VEGAFLEX…………………………..39 Уровнемер VEGAFLEX-61………………………………………………….40 Устройство формирования сигнала VEGAMET-625………………………41 Запорные указатели уровня………………………………………………….42
4.1.Дифференциальные манометры……………………………...…………44 Датчик разности давлений Метран-100-Ех-ДД-1440……………………..44 4.2. Деформационные манометры………………………………………….45 Манометр показывающий для точных измерений МПТИ……………….46 Датчик избыточного давления EJA530A…………………………………..47
5.1.Термопреобразователи сопротивления….……………………………..49 Термопреобразователь сопротивления TR10-C………………………...…50 Температурный датчик модели YTA70…………………………………….51
Клапан запорно-регулирующий 25ч945п…………………………………….52 Электрический исполнительный механизм «STO»…………………………52 Насос КМ50-32-12/252М……………………………………………………...53
Станция сбора данных DX1000……………………………………………….54
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ………………..……80 I. Изучение теоретической части к лабораторной работе……………………….80 II. Ознакомление с лабораторным стендом КИП и А……………………………80 III. Запуск стенда…………………………………………………………………...81 Общие принципы организации интерфейса…………………………………..88 Изображения элементов………………………………………………………..89 Управление насосом…………………………………………………………….91 Управление клапаном…………………………………………………………..95 IV. Определение метрологических характеристик контрольно-измерительных приборов при различных режимах эксплуатации………………………………..98
V. Обработка результатов и оформление отчета………………………………..117 ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ……………………118 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…………………………………………………….122 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..……...123 ВВЕДЕНИЕ
Измерение представляет собой процесс нахождения значения физической величины посредством опытов с помощью специальных технических средств. Технические измерения - измерения с помощью рабочих средств измерений. Измерение физических величин является одним из способов познания окружающего нас мира и основным средством контроля различных технологических процессов. Средства измерений в отличие от других технических устройств имеют нормированные метрологические характеристики, т.е. определённые значения величин и свойств, определяющих точность и достоверность результатов измерения. Средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, называется измерительным прибором. Контрольно-измерительные приборы можно классифицировать по следующим основным признакам:
По роду измеряемой величины различают приборы для измерения:
По способу получения информации приборы подразделяются на:
По форме представления показаний: Аналоговый измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины; Цифровой измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме. По метрологическому назначению приборы делятся на:
По принципу действия приборы делятся на:
По расположению различают приборы местные и дистанционные. Главными узлами измерительного прибора являются: - измерительных механизм, непосредственно осуществляющий измерение при помощи чувствительного элемента, - отчётное устройство, показывающее, записывающее или суммирующее значение измеряемой величины. Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. Измерительные устройства с дистанционной передачей показаний содержит в себе два самостоятельных элемента: первичный и вторичный приборы. ПРАВИЛА ВНУТРЕННЕГО РАСПОРЯДКА И ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
При работе в лаборатории КИП и А во избежание несчастных случаев, а также преждевременного выхода из строя приборов и оборудования студент при выполнении лабораторных работ должен выполнять следующие правила внутреннего распорядка и техники безопасности. 1. Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с правилами внутреннего распорядка и пройти инструктаж по технике безопасности. 2. После ознакомления с правилами внутреннего распорядка и инструктажа по технике безопасности каждый студент должен расписаться в специальном журнале. 3. При работе в лаборатории запрещается приносить собой вещи и предметы, загромождающие рабочие места. 4. В лаборатории запрещается громко разговаривать, покидать рабочие места без разрешения преподавателя и переходить от одного стенда к другому. 5. Приступая к работе в лаборатории, студенческая группа делится на бригады, которые затем распределяются по рабочим местам. 6. Включение лабораторного стенда под напряжение производится после проверки его преподавателем с его разрешения и в его присутствии. 7. При появлении специфичного запаха, повреждения оборудования или приборов необходимо немедленно отключить электропитание стенда и известить об этом преподавателя или лаборанта. 8. При использовании электрического оборудования строго выполняйте правила и порядок их пуска. 9. После утверждения преподавателем результатов лабораторной работы необходимо отключить стенд от источника питания и привести в порядок рабочее место. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Подготовка к лабораторным работам. Экспериментальные задачи, предлагаемые на лабораторных занятиях, могут быть успешно решены в отведенное в соответствии с расписанием занятий время только при условии тщательной предварительной подготовки к каждой из них. Поэтому для выполнения лабораторных работ студент должен руководствоваться следующими положениями: 1) перед выполнением лабораторных работ необходимо ознакомиться с их графиком выполнения; 2) внимательно ознакомиться с описанием соответствующей работы и установить, в чем состоит основная цель и задача этой работы; 3) по лекционному курсу и соответствующим литературным источникам изучить теоретическую часть, относящуюся к данной лабораторной работе; 4) до проведения лабораторной работы подготовить в рабочей тетради соответствующие схемы, таблицы наблюдений, расчетные формулы; 5) завершает этап подготовки к выполнению лабораторной работы составление ответов на контрольные вопросы, приведенные в методических указаниях; 6) неподготовленные студенты к работе не допускаются.
Выполнение лабораторной работы. Для выполнения лабораторных работ необходимо выполнение следующих требований. 1. Перед включением лабораторного стенда студенты должны предварительно ознакомиться с электрическим оборудованием и измерительными приборами, предназначенными для проведения соответствующей лабораторной работы. При этом следует убедиться, что лабораторный стенд обесточен. 2. Включать напряжение можно только с разрешения преподавателя или лаборанта. 3. Снятие показаний с приборов необходимо производить при установившемся режиме. 4. Показания с приборов необходимо снимать синхронно. Следует избегать перерыва начатой серии наблюдений и во всех случаях, когда возникает сомнение в правильности полученных наблюдений, их необходимо повторить несколько раз. 5. Результаты измерений заносятся каждым студентом в свою рабочую тетрадь. 6. После выполнения отдельного этапа лабораторной работы результаты опыта вместе с простейшими контрольными расчетами предъявляются для проверки преподавателю до выключения электропитания стенда. 7. Если стрелка какого-либо прибора выходит за пределы шкалы, надо немедленно выключить источник питания, доложить преподавателю или лаборанту. 7. Лабораторная работа считается выполненной только после утверждения её результатов преподавателем и приведения рабочего места в порядок. 8. Во время занятий в лаборатории студенты обязаны находиться на своих рабочих местах. Выходить из помещения лаборатории во время занятия можно только с разрешения преподавателя. 9. Отработка пропущенного лабораторного занятия производится в специально отведенное для этого время под руководством лаборанта.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ (РАСХОДОМЕРОВ), УСТАНОВЛЕННЫХ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ, ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить функциональные возможности стенда контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА) Yokogawa, предназначенного для визуализации контролируемых параметров, сбора данных и управления исполнительными механизмами. Изучить устройства, принципы работы приборов и средств автоматизации (датчиков давления, температуры, расхода, уровня, вторичных приборов, блоков питания, регулирующих клапанов). В процессе изучения должны быть получены следующие сведения: - подключение к портам ввода/вывода первичных преобразователей; - учет и контроль технологического процесса. Научиться определять основные метрологические характеристики расходомеров, расположенных на лабораторном стенде, при различных режимах эксплуатации. Провести сравнительный анализ результатов измерений с помощью построенных графиков и определить погрешности приборов, следуя указаниям, приведенным ниже.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
1. Описание лабораторного стенда контрольно-измерительных приборов и автоматики Yokogawa
Стенд контрольно-измерительных приборов и автоматики Yokogawa (далее стенд) разработан предприятием ООО «Иокогава Электрик СНГ» по заказу ОАО «Татнефть». Он предназначен для обучения студентов навыкам работы с программируемыми логическими контроллерами и оборудованием КИПиА (монтаж, настройка, метрологическое и сервисное обслуживание). Работа может вестись как в ручном, так и в автоматическом режимах при помощи автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В своем составе стенд имеет три иерархических уровня: 1) подсистема первого уровня (нижний уровень) состоит из оборудования, установленном на стенде, а также шкафа вторичных приборов (ШВП), и обеспечивает сбор данных, учет и контроль технологического процесса; 2) подсистема второго уровня (уровень управления технологическим процессом, обработки и передачи данных) основана на программно-техническом комплексе (ПТК). Он обеспечивает:
Подсистема второго уровня состоит из:
3) подсистема третьего уровня (уровень взаимодействия с оператором) основана на АРМ преподавателей и АРМ учащихся и позволяет реализовать человеко-машинный интерфейс, формирование двунаправленных потоков данных с нижним уровнем и хранение архивной информации, переданной с нижнего уровня [6]. Стенд обеспечивает:
Габаритные чертежи показаны на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Габаритный чертеж стенда (вид спереди)
Рис. 2. Габаритный чертеж стенда (вид сверху)
1.1. Комплекс технических средств
Подсистема нижнего уровня построена на базе следующего оборудования. Контроль расходов расходомерами производства «Yokogawa Electric Corporation»:
Контроль уровня в емкостях
Контроль давления
Контроль температуры
Управление технологическим процессом
Преобразователь частоты Для регулирования частоты вращения двигателя насоса проектом предусматривается использование преобразователя частоты для асинхронных двигателей Altivar 31 производства «Schneider Electric». Сбор данных Для визуализации работы клапана запорно-регулирующего 25ч945п проектом предусматривается использование станции сбора данных DX1000 производства «Yokogawa Electric Corporation». 2. Измерение расхода жидкостей, газов и паров
Для контроля и управления нефтехимическим производством большое значение имеет измерение расхода и количества различных веществ: газов, жидкостей и паров. Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени (1): (1) где F - площадь потока в сечение трубопровода; V - скорость потока. Объёмный расход (Q) выражают в единице объёма вещества, протекающего в единицу времени: м3/с, м3/мин, м3/ч, см3/с, и т.д. Массовый расход (Qм) измеряют в единице массы протекающей в единицу времени: кг/с, кг/мин, кг/ч, г/ч и т.д. Приборы для измерения расхода называются расходомерами. Интегрирующие приборы, используемые для измерения объёма или массы за некоторый промежуток времени, называют счётчиками. Для измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия: расходомеры переменного и постоянного перепада давлений, переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, кориолисовые, тепловые и турбинные. Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Если условия эксплуатации расходомера отличаются от условий, при которых производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимое значение. Поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т.п. [6]. 2.1. Кориолисовые расходомеры
Кориолисовые расходомеры предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей [6]. В основу работы кориолисовых расходомеров заложен эффект открытый Густавом Кориолисом. Проявляется этот эффект как воздействие сил инерции вращающейся системы отчёта на движущийся относительно неё материальный объект. Принцип действия расходомера основан на использовании сил Кориолиса. Они возникают в колебательной системе, в которой одновременно имеет место поступательное и вращательное движения. Величина кориолисовой силы зависит от массы жидкости (газа) и скорости ее движения в системе, следовательно, от массового расхода жидкости (газа). Кориолисовый расходомер состоит из сенсора и электронного преобразователя сигнала (датчика). Сенсор имеет одну или две измерительные трубки (обычно U-образные), концы которых закреплены неподвижно. Между трубками на специальном креплении расположена задающая катушка, создающая колебания трубок. По бокам трубок на входе и выходе установлены детекторы, определяющие положение трубок друг относительно друга. Измеряемая среда, поступающая в датчик, разделяется на равные половины, протекающие через две сенсорные трубки. Движение задающей катушки приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположных направлениях. Колебания трубок подобны колебаниям камертона и имеют амплитуду менее 1 мм и частоту около 100 Гц. Сборки магнитов и катушек - соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках (рис. 3). Катушки смонтированы на одной трубе, магниты – на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.
Рис. 3. Схема сенсора кориолисового расходомера
При движении измеряемой среды через датчик проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой. Когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз (рис. 4). Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной – способствует. Это приводит к изгибу трубки. Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное.
Рис. 4. Направление силы Кориолиса в сенсорной трубке Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки. Как результат изгиба сенсорных трубок – генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе. Так, сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу с выходной стороны. Разница во времени между сигналами измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше сдвиг фаз между сигналами, тем больше массовый расход [1]. Таким образом, расход определяется путём измерения временной задержки между сигналами электромагнитных преобразователей, а плотность - измерением резонансной частоты колебаний (резонансная частота является функцией массы, а масса пропорциональна плотности). Термометр сопротивления на поверхности трубки учитывает изменение модуля упругости материала трубки. Величина силы Кориолиса находится по формуле (2): Fk=2∙m·ω∙vср, (2) где масса протекающей через трубку среды, vср средняя скорость потока среды, циклическая частота принудительных колебаний конца трубки. Достоинства: высокая точность измерений (до 0,1%), длительный срок службы, измерение больших расходов, нет ограничений на способ установки, измерение одновременно 3-х параметров (расхода, массы, плотности), измерение параметров любых сред, на показания прибора не влияет изменение параметров среды, расход которой измеряется. Недостатки: относительная сложность устройства вторичных преобразователей, ограниченное давление эксплуатации [14].
Кориолисовый массовый расходомер ROTAMASS Преобразователь ROTAMASS представляет собой массовый расходомер, использующий кориолисовые силы (рис. 5). Массомер монтируется непосредственно на трубопровод и не требует прямолинейных участков выше или ниже по течению [10, 11].
Рис. 5. Внешний вид кориолисового массового расходомера ROTAMASS
Расходомер измеряет расход по частоте колебаний измерительной трубки. Такие измерения могут быть подвержены влиянию внешних воздействий или вибраций, передаваемых по трубопроводу. Для прибора ROTAMASS была разработана уникальная конструкция «корпус в корпусе», эффективно устраняющая негативное влияние внешних воздействий и вибраций. На рис. 6 показана структура корпуса ROTAMASS. Внутренний корпус устанавливается во внешний, подсоединяемый к фланцам. Концы трубок крепятся к внутреннему корпусу. Двойная структура позволяет поглощать внешние воздействия и вибрации, передаваемые через фланцы на внешний корпус, сводя к минимуму деформацию трубок, закрепленных на внутреннем корпусе. В конструкции также используются две трубки, которые колеблются в противоположных направлениях. Сенсорные катушки для измерения вибрации монтируются на одной из трубок, а магнит – на другой. Благодаря такой конфигурации, трубки не столь подвержены влиянию внешней вибрации. Кроме того, настройка резонансной частоты колебаний трубок на уровне, значительно превышающем уровень частоты внешних воздействий, сводит к минимуму их негативное влияние. Еще одна структурная особенность – наклон линейного участка U-образных трубок, позволяющий жидкости стекать по трубкам под действием силы тяжести [1].
Рис. 6. Конфигурация детектора прибора ROTAMASS
Характеристики измерения расхода: - Номинальный диапазон расхода – 0 ÷5 т/час; - Точность - ± 0,10%; - Повторяемость - ± 0,05 %; - Стабильность нуля – 0,135 кг/час. Характеристики измерения плотности: - Диапазон - 0,3 ÷ 5 кг/л; - Точность - ± 3 г/л. Характеристики измерения температуры: - Диапазон - -200 ÷ +230 °С; - Точность - ± 1 °С; Источник питания: - 90-264 В переменный ток, 50 Гц. Маркировка датчика имеет следующую расшифровку: - RCCT36 - модель датчика (номинальный расход 2,7 т/ч = 45 кг/мин); - А - источник питания: 100-240 В переменного тока; - М - кабельный ввод: М20х1,5; - 02 - подключение к технологической линии DN 25; - QR1 - свидетельство о первичной поверке [10]. 2.2. Вихревые расходомеры
Принцип действия прибора основан на определение частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, установленным в проточной части преобразователя расхода. При введении в трубопровод перпендикулярно потоку неподвижного тела - поочередно, то с одной, то с другой стороны происходит срыв вихрей, которые образуют позади тела обтекания двойную цепочку постепенно рассеивающихся вихрей, создавая так называемую, "дорожку Кармана" (рис. 7) [3] .
Рис. 7. Вихревая дорожка Кармана
Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока (объёмному расходу) и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля – эмпирическая величина, определённая геометрией расходомера и свойствами среды) и ширины тела обтекания d и определяется при помощи чувствительных элементов (двух пьезодатчиков), которые фиксируют пульсации давления в зоне вихреобразования (3): f=Sh·v/d, (3) Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога (рис. 8). Характер течения потока (ламинарный, переходной или турбулентный) зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса (4): Ra=(r∙n/m)D, (4) где n – скорость среды; m – ее вязкость; r – плотность среды; D – диаметр трубопровода.
Ламинарный поток при малых значениях числа Рейнольдса (Re≤1000)
Переходной поток при 1000≤Re≤2300
Турбулентный поток при Re≥2300
Рис. 8. Режимы течения потока
В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля Sh практически постоянно (рис. 9), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.
Рис. 9. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса (Sh = 0.2175 – 5.1064/Re)
Конструктивно прибор представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1 (рис. 10). За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. Преобразователь избыточного давления 3 тензорезисторного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи его крепления. Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непостредственного контакта измеряемой среды и ТСП в теле обтекания выполнены отверстия 5. Плата цифровой обработки 6 производит обработку сигналов и передает на вычислитель 7.
Рис. 10. Схема вихревого расходомера
В диапазоне чисел Рейнольдса от 2х104 до 7х106 коэффициент пропорциональности между частотой образования вихрей и скоростью потока практически не зависит от числа Рейнольдса. Это позволяет вихревым расходомерам с хорошей точностью измерять скорость потока независимо от типа среды. Достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды. Недостатки: чувствительность к влиянию внешних помех (вибрации), ненулевая шкала [1].
Вихревой расходомер DY Фирма Yokogawa применяет в своих вихревых расходомерах метод изгибных напряжений (серия YEWFLO). Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Изгибающая сила, возникающая в момент срыва, регистрируется пьезодатчиками, расположенными внутри него (рис. 11) [10, 11] .
Рис. 11. Вихревой расходомер Yokogawa, детектирующий вихри методом изгибных напряжений
Достоинствами такого метода измерений являются: усреднение потока по сечению трубопровода, исключение контакта датчиков с процессом и т.д. Преобразователь DY представляет собой вихревой расходомер, использующий вихреобразователь digitalYEWFLO (рис. 12). Расходомер монтируется на трубопровод с соблюдением прямолинейных участков до и после расходомера. Характеристики измерения расхода: - Номинальный диапазон расхода - 0 ÷ 6 т/час; - Точность - ±0,75 %; - Повторяемость - ± 0,2 %.
Рис. 12. Внешний вид вихревого расходомера DY
Источник питания: - 16,4 ÷ 30 В постоянного тока. Маркировка датчика имеет следующую расшифровку: - DY015 - вихревой расходомер интегрального типа, размер 15 мм; - Е - выходной сигнал 4 ÷ 20 мА с HART протоколом; - В - материал корпуса CF8M; - L - материал вихреобразователя DCS1; - BD1 - подсоединение к процессу фланцевое DIN PN10; - 4 - кабельный ввод М20х1,5; - D – дисплей; - QR - свидетельство о первичной поверке. 2.3. Электромагнитные расходомеры
Электромагнитные (индукционные) расходомеры предназначены для измерения расхода различных жидких сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами, с электрической проводимостью не ниже См/м, протекающих в закрытых полностью заполненных трубопроводах [1]. Электромагнитные расходомеры выполняются в виде двух отдельных блоков: измерительного преобразователя расхода и измерительного блока — передающего преобразователя, в котором осуществляется приведение сигнала, полученного от измерительного преобразователя, к стандартизованному виду, удобному для дальнейшего использования. Измерительный преобразователь расхода электромагнитного расходомера (рис. 13) состоит из немагнитного участка трубопровода с токосъемными электродами и электромагнита с обмоткой возбуждения, охватывающего трубопровод. При протекании электропроводных жидкостей по немагнитному трубопроводу через однородное магнитное поле, создаваемое магнитом, в жидкости, которую можно представить как движущийся проводник, возникает электродвижущая сила, снимаемая электродами. Эта ЭДС е прямо пропорциональна средней скорости потока (5): e=B·l∙vср, (5) где В - электромагнитная индукция в зазоре между полюсами магнита, [Тл], l - расстояние между электродами, [м], vcp -средняя скорость потока, [м/с]. Поскольку площадь сечения трубы постоянна, ЭДС, снимаемая с электродов, может быть выражена через объемный расход жидкости (6): , (6) где внутренний диаметр трубы, равный расстоянию между электродами l, [м].
Рис. 13. Принципиальная схема измерений электромагнитного расходомера
Далее сигнал, пропорциональный расходу, подается на измерительный блок, где он приводится к стандартизованному виду, и затем передается к прибору или другому измерительному устройству. Чтобы электроды не шунтировались металлом трубы, и не происходило разряда разделившихся ионов друг на друга по стенке трубы, внутренняя поверхность ЭМР должна быть покрыта изоляционным материалом – футеровкой. Материал футеровки определяет химическую совместимость и физическую стойкость преобразователя расходомера. Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в диапазоне от 0,32 до 2500 м3/ч при трубопроводах с внутренним диаметром от 3 мм до 1 м и более, линейной скорости движения от 0,6 до 10 м/с. Погрешность электромагнитных расходомеров Достоинства: линейность характеристики, возможность использования в трубопроводах любого диаметра, показания не зависят от примесей в среде, от её плотности и вязкости, нет потерь давления. Недостатки: поляризация электродов (нестабильность работы прибора), работа только с электропроводной жидкостью, трудность усиления напряжения постоянного тока [3].
Электромагнитный расходомер AXF Преобразователь серии AFX является электромагнитным расходомером с использованием метода 2-частотного возбуждения (рис. 14). Расходомер монтируется на трубопровод с соблюдением прямолинейных участков до и после расходомера [10, 11].
Рис. 14. Электромагнитный расходомер AXF
Характеристики измерения расхода: - Номинальный диапазон расхода - 0 ÷ 6,361 м3/час; - Точность - ±0,35 %; - Повторяемость - ± 0,1 %; Маркировка датчика имеет следующую расшифровку: - AXF015 - интегрированный расходомер 15 мм; - G - назначение: общее; - Е - выходной сигнал 4 ÷ 20 мА с HART протоколом; - 1 - источник питания: 100 - 240 В переменного тока; - А - футеровка: фтороуглеродистый PFA; - L - материал электрода: JIS SUS316L; - 1 - конструкция электрода: незаменяемый электрод; - N - кольцо заземления: отсутствует; - BD4 - присоединение к процессу: фланцевое DIN PN40; - 1 - установочная длина: стандартная; - 4 - Кабельный ввод: М20х1,5; - 2 - индикатор: вертикальная ориентация; - В - поверка: стандартная; - QR - свидетельство о первичной поверке. 2.4. Расходомеры переменного перепада давления
Одним из наиболее распространенных средств измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями [1, 3]. Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. Сопло выполнено в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавную сужающую часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Сопло Вентури- состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и расширяющейся конической части (диффузора). Измерительная диафрагма представляет собой тонкий диск А с отверстием d круглого сечения, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (используются в трубах от 50 мм до 2 м) (рис. 15). При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения d2, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода (внутренний диаметр D). Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи II –II. Затем давление потока снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления рпот.
Рис. 15. Характер потока и график распределения статического давления р по длине трубопровода l при установке диафрагмы в трубопроводе
Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара. Уравнения расхода для несжимаемых жидкостей в объемных и массовых единицах имеют вид (7 и 8): или , (7, 8) где плотность вещества, площадь поперечного сечения отверстия диафрагмы (сужающее устройство), расход вещества, абсолютное давление до сужающего устройства, абсолютное давление после сужающего устройства, – коэффициент расхода учитывает неравномерное распределение скоростей по сечению потока, обусловленное вязкостью вещества и трением о стенки трубопровода. Этот коэффициент для разных сужающих устройств определяется опытным путём. Здесь коэффициент сужения струи (площадь поперечного сечения наиболее суженного участка струи), (средняя скорость вещества в сечении I , средняя скорость вещества в отверстии диафрагмы), местное сопротивление потоку. Достоинствами диафрагм являются: простота изготовления, дешевизна изготовления, простота проверки конструкции. Недостатками являются: малый срок службы, большая остаточная потеря давления (). К достоинствам сопл относятся: маленькая потеря давления, способность при одном и том же перепаде давлений измерять больший расход. Недостатками являются: сложность в изготовлении и проверке. В качестве измерительных приборов применяются различные дифференциальные манометры, снабженные показывающими, записывающими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройствами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о расходе в соответствующей форме и виде [14].
Датчик малого расхода EJA115 Датчик малых расходов EJA115 (рис. 16) относится к последнему поколению преобразователей давления серии DPharpEJA, использующих в качестве чувствительного элемента кремниевый резонатор. EJA115 отличается от других датчиков перепада тем, что он имеет встроенную диафрагму для измерения расхода газа или жидкости. 6 типоразмеров диафрагмы (условный диаметр от 0,508 до 6,35мм) дают возможность применять этот датчик в широком диапазоне малых расходов [10, 11]. Расходомер монтируется на кронштейне с подсоединением к процессу через импульсные трубки. Характеристики измерения расхода: Номинальный диапазон расхода - 0,07 ÷ 33,0 л/мин; Точность - ± 5 %.
Рис. 16. Датчик малого расхода EJA115
Маркировка датчика имеет следующую расшифровку: - EJA115 - датчик малого расхода; - Е - выходной сигнал 4 ÷ 20 мА с HART протоколом; - Н - диапазон перестройки верхнего предела шкалы: 20…. 210 кПа; - S - материал деталей: корпус - JIS SCS14A*3, капсула - JIS SUS316L*2, диафрагма - JIS SUS316; - 400 - присоединение к процессу: внутренняя резьба 1/2 NPT; - А - материал болтов и гаек JIS SCM435; - 9 - горизонтальный подвод импульсных трубок, высокое давление слева; - 9 - кабельный ввод М20; - D - цифровой ЖК дисплей; - А - монтажный кронштейн для монтажа на 2-х дюймовой трубе; - QR - свидетельство о первичной поверке.
2.5. Ротаметры
Расходомеры постоянного перепада давления – ротаметры - применяются для измерения расходов однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам и не подверженных значительным колебаниям. Ротаметры имеют большой диапазон измерения (). Ротаметр (рис. 17) представляет собой длинную коническую трубку, располагаемую вертикально, вдоль которой под действием движущегося снизу вверх потока перемещается поплавок. Поплавок перемещается до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором перепад давления по обе стороны поплавка не станет равным равновесному. При этом действующие на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода [3, 1].
Рис. 17. Схема ротаметра
На поплавок сверху вниз действуют две силы: сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка. Сила тяжести , где объём поплавка, плотность материала поплавка, ускорение свободного падения. Сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка равна , где среднее давление потока на единицу площади верхней поверхности поплавка, площадь наибольшего поперечного сечения поплавка. Снизу вверх на поплавок действуют сила от давления потока на нижнюю плоскость поплавка и сила трения потоков о поплавок , где коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности, средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка,площадь боковой поверхности поплавка, показатель, зависящий от скорости. При равновесии поплавка справедливо равенство (9): + = +. (9) Формула для расчёта расхода несжимаемой жидкости имеет вид (10): , (10) где плотность измеряемой среды, - коэффициент расхода, определяется опытным путём. Достоинства: относительная простота в конструкции, широкий диапазон измерения расходов (;). Недостатки: невысокие рабочие давления измеряемых сред для ротаметров со стеклянной трубкой (не более 0,58 МПа), невозможность регистрации показаний для ротаметров с металлической конусной трубкой, невозможность передачи показаний на расстояние, недостаточная чёткость шкал, градуировка ротаметров производится по конкретным средам (вода и воздух), низкая точность [14]. Ротаметр с малым ходом RAMC Ротаметр с малым ходом используется для измерения расхода жидкостей, пара и газа (рис. 18). Принцип работы ротаметра - создание условия динамического равновесия между весом поплавка и силой сопротивления потоку таким образом, чтобы с изменением величины расхода изменялось положение поплавка [10, 11]. Поплавок перемещается соосно направляющей конической трубке. Позиция поплавка через индуктивную связь передаётся на индикатор. Ротаметр монтируется непосредственно на трубопровод. Прибор устанавливается вертикально, с направлением потока снизу-вверх.
Рис. 18. Ротаметр с малым ходом RAMC
Основные свойства: - Дополнительное демфирование поплавка для подавления колебаний при измерение газов; - Различная футировка для агрессивных жидкостей; - Локальный индикатор без дополнительного источника питания; - Реле ограничение расхода. Характеристики стандартного электронного преобразователя с локальным дисплеем: - Индикация расхода; - Отображение разных единиц объёма и массового расхода; - Демфирование выходного сигнала; - Связь с HART (2-двухпроводной: 4-20 мА); - Линейность: 0,2 %; - Гистерезис: 0,1%. Технические характеристики: - Параметры измеряемой среды: температура: -180…+370 °С; давление: < 4 МПа - Пределы измерений зависят от условий прохода и параметров измеряемой среды: газ: 0,07…1400 м3/ч (при t +20 °С и Pаб 1,013 бар); жидкость: 0,025…130 м3/ч (при t +20 °С); - Класс точности: 1,6 – для материала нержавеющая сталь; 2,5 – для материала фторопласт; - Выходные сигналы: аналоговый:4…20 мА + HART-протокол (2-проводная сх. подк.); дискретный; сигнализаторы предельных значений.
Маркировка датчика имеет следующую расшифровку: - RAMC02 - ротаметр DN 25; - D4 - соединение с процессом: фланцевое PN 40; - SS - материал смачиваемых деталей: нержавеющая сталь; - 64S2 - сочетание конуса/поплавка; - Н - электронный индикатор с HART протоко.; - 90 - тип корпуса: округлый нержавеющая сталь; - 424 - источник питания: 24 В постоянного тока, 2-проводной, 4 ÷ 20 мА; - QR - свидетельство о первичной поверке. 3. Измерение уровня
Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой — жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом [8]. Путем измерения уровня можно получать информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерений уровня называют уровнемерами. Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений уровня рабочей среды — сигнализаторы уровня. По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0.5—20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона [пределы измерений (0±100)мм или (0±450)мм] обычно используются в системах автоматического регулирования. 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. Существует широкая номенклатура средств контроля и измерения уровня, использующих различные физические методы: электроконтактный, ёмкостной, гидростатического давления, поплавковый, ультразвуковой, радиоволновый. Эти методы и средства позволяют контролировать уровень различных сред: жидких (чистых, загрязнённых), пульп, нефтепродуктов, сыпучих твёрдых различной дисперсности. 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. Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным проц Похожие статьи:
|
|