Автоматизированные системы управления химико- технологическими

Автоматизированные
системы управления
химикотехнологическими
процессами
Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна
1
Измерение давления
В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).
Давлением Р называют отношение Р=F/S абсолютной
величины нормального, то есть действующего
перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к
площади S этой поверхности.
Сумма атмосферного и избыточного давлений
представляет собой абсолютное давление, т. е.
Рабс = Ратм + Ризб
Если абсолютное давление меньше атмосферного, то их
разность называется разрежением или вакуумом:
Рвак = Ратм — Рабс
2
Единицы измерения давления
Единицы измерения давления определяются одним из двух
способов:
1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей
измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в
единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст.) или ртутного
столба при 0°С (мм рт. ст.);
2) через единицы силы и площади. В Международной системе
единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н
(ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется
единица давления паскаль Па=1 Н/м2).
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,97 атм = 0, 98×103 мбар = 0,98
бар = 104 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = =0,98×105 Па =
98 кПа= 0,098 МПа
3
Классификация манометров
Приборы для измерения давления могут
классифицироваться по следующим характеристикам:
• виду измеряемого давления;
• принципу действия;
• области применения;
• классу точности : 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0
(чем меньше цифра, тем точнее прибор).
4
Классификация манометров
По диапазону измеряемого давления
 собственно манометр (избыточное давление) – прибор,
который измеряет положительную разность между
абсолютным и барометрическим давлением в диапазоне от 0,06
до 1000 МПа;
 вакуумметр (разрежение) – измеряет давление ниже
атмосферного (до 100 кПа);
 мановакуумметр (избыточное давление и разрежение) манометры измеряющие как избыточное (от 60 до 240000 кПа),
так и вакуумметрическое (до минус 100 кПа) давление;
 напоромер (измеряет малое избыточное давление до 40 кПа),
 тягомер (измеряет разрежение до 40 кПа),
 тягонапоромер (мановакуумметр с пределами измерений не
более ± 20 кПа),
 дифференциальный манометр (измеряет разность давления).
5
Классификация манометров
По принципу действия
• жидкостные (измеряемое давление уравновешивается
гидростатически столбом жидкости),
• деформационные (давление определяется по величине
деформации и перемещения упругого чувствительного
элемента),
• грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление
гидростатически уравновешивается через жидкую или
газообразную среду прибора давлением веса поршня с
грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь),
• электрические (давление определяется на основании
зависимости электрических параметров: сопротивления,
емкости, заряда, частоты - от измеряемого давления)
• и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.). .
6
Классификация манометров
По области применения
• общепромышленные, или технические, работающие в
промышленных условиях (при перепадах температур и
влажности окружающей среды, вибрациях, загрязнении
внешней среды и т.п.),
• лабораторные (приборы повышенной точности для
использования в комфортных и стабильных условиях
лабораторий),
• специальные (применяются в экстремальных условиях: на
железнодорожном транспорте, судах, котельных установках,
при работе с кислотными и другими агрессивными средами),
• образцовые (для поверки рабочих манометров, обладают
более высоким классом точности (0,15;0,25;0,4), чем
остальные. ) и
• эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их
образцовым приборам).
7
Жидкостные манометры
Принцип действия жидкостных
манометров основан на уравновешивании
измеряемой величины высотой столба
рабочей жидкости.
Значение измеряемой величины
(разность давлений Р1 и Р2)
определяется по шкале прибора:
P1-P2=hpg
где р - плотность рабочей жидкости; g – ускорение силы
тяжести
8
Деформационные манометры
По типу упругих элементов
деформационные
(механические) приборы
подразделяются на
 пружинные,
 мембранные и
 сильфонные.
Диапазон измерения
пружинных манометров
обычно составляет
от 0,1 до 2500 MПа,
с погрешностью 0,16-4,0%.
9
Деформационные манометры
Наиболее распространенные упругие чувствительные
элементы: трубчатые пружины, сильфоны, плоские и
гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны
с жестким центром.
При измерении давления вязких, полимеризующихся и
кристаллизующихся сред применяют манометры с открытым
чувствительным или разделительным элементом - сильфоном
либо мембраной.
Диапазон давление от 100 до 107 Па и более.
Погрешность 0,5-2,5%
10
Электрические манометры
Наиболее перспективны приборы, действие которых основано
на так называемом тензорезистивном эффекте - изменении
электрического сопротивления твердого проводника
(чувствительного элемента) в результате его деформации,
пропорциональной измеряемому давлению.
Диапазон измерения от 100 Па до 1000 MПа, погрешность 0,51,5%.
В манганиновых датчиках под действием давления изменяется
электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки.
Используются для измерения давления свыше 100 MПа.
Действие емкостных датчиков основано на преобразовании
перемещения чувствительного элемента в изменение емкости
конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их
площади, материала диэлектрика или диэлектрической
проницаемости. Этим датчикам свойственны значительные
температурные погрешности.
11
Выбор манометра
Материал
Внутренняя конфигурация
Корпус
Монтажное подключение
Связь
Технология датчиков
12
Установка манометра
Запорный и стравливающий вентиль
Демпфирующее устройство
Разделительная мембрана
Устройство защиты от избыточного
давления
Вентильный блок
13
Измерение расхода
Расход вещества — это его количество, протекающее
через сечение трубопровода в единицу времени.
Для измерения расхода веществ применяют :
 расходомеры переменного перепада давлений,
 расходомеры постоянного перепада давлений
 переменного уровня,
 электромагнитные,
 ультразвуковые,
 вихревые,
 тепловые и
 турбинные.
14
Расходомеры переменного перепада давления
Расходомер переменного перепада давления –
это измерительный комплекс, принцип действия
которого основан на зависимости расхода от
перепада давления, создаваемого первичным
преобразователем расхода, установленным в
трубопроводе.
15
Расходомеры переменного перепада давления
Такой расходомер может работать при следующих условиях:
 Поток должен занимать все сечение трубы.
 Не должно происходить фазовых превращений вещества
при прохождении сужающего устройства.
 Поток должен быть установившимся.
16
Измерение расхода
Может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с)
𝐹𝑜 = α 𝜀 𝐴0
2
𝜌
𝑝1 − 𝑝2 или 𝐹𝑚 = 𝜌 𝐹𝑜 массовый (кг/с,
кг/ч, г/с) расход.
α - коэффициент расхода
ε - поправочный коэффициент, для несжимаемой
жидкости ε = 1
𝐴0 - площадь отверстия сужающего устройства
Для диафрагм
𝛼 = 𝛼исх 𝑘ш 𝑘н
Для сопл и сопл Вентури
𝛼 = 𝛼исх 𝑘ш
17
Расходомеры постоянного перепада давления
Принцип действия ротаметров
состоит в том, что
гидродинамическое давление
измеряемого потока среды
воздействует на поплавок, вызывая
его вертикальное перемещение.
𝐹𝑜 = 𝐶 𝐴к
𝐴к - площадь кольцевого зазора;
𝐶 – поправочный коэффициент.
18
Электромагнитные расходомеры
Принцип действия основан на взаимодействии движущейся электропроводной
жидкости с магнитным полем.
E = 𝐵𝐷υ
или
E=
𝐹𝑉
𝐵𝐷
𝑆
𝐸 – индуцируемая в проводнике ЭДС, В;
В – магнитная индукция, Т;
𝐷 − внутренний диаметр трубопровода, м;
υ − скорость потока, м/с;
S − площадь сечения трубы, м2;
𝐹𝑉 − объемный расход, м3
19
Достоинства электромагнитных расходомеров
1. Безынерционны
2. Наличие взвешенных частиц в жидкости и пузырьков
газа
3. Физико-химические свойства измеряемой жидкости
(вязкость, плотность, температура и т. п.)
4. Расход агрессивных и абразивных сред
Недостатки: слабая помехоустойчивость.
Диапазон измерения - от от 0,002 до 300 000 м3/ч.
Не применимы для жидкостей с низкой
электропроводностью 10−5 – 10−7 Ом−1•см−1
20
Ультразвуковые расходомеры
Принцип действия
ультразвукового расходомера
жидкости и газа основан
на явлении смещения звукового
колебания проходящего сквозь
движущуюся жидкую или
газообразную среду.
Виды расходомеров:
• Фазовый
∆𝝉 =
𝟐𝑳𝒗
;
𝒄𝟐
L – расстояние между приемником и
источником, м;
υ – скорость потока, м/с;
с – скорость звука, м/с.
21
Ультразвуковые расходомеры
• Частотный
cos 𝛼
∆𝑓 =
𝑣
𝐿
𝛼 - угол между осями трубопровода и
датчиков, град;
L – расстояние между приемником и
источником, м;
υ – скорость потока, м/с.
22
Ультразвуковые расходомеры
Достоинствами ультразвуковых расходомеров являются:
• малое или полное отсутствие гидравлического
сопротивления,
• надежность (так как отсутствуют подвижные механические
элементы),
• высокая точность,
• быстродействие,
• помехозащищенность.
Недостатками ультразвуковых расходомеров является
• чувствительность к содержанию твердых и газообразных
включений,
• сильная подверженность электромагнитным помехам.
23
Вихревые расходомеры
Вихревыми называются расходомеры,
расход которых зависит от частоты
колебания давления.
Колебания давления возникают в потоке в
процессе вихреобразования после
препятствия определенной формы,
установленного в трубопроводе (эффект
Кармана).
Для измерения частоты возникающих
вихрей могут использоваться
электромагнитные, акустические, силовые
преобразователи.
24
Вихревые расходомеры
Достоинства:
* Простота и надежность преобразователя расхода;
* Отсутствие подвижных частей;
* Большой диапазон измерений;
* Линейный измерительный сигнал;
* Достаточно высокую точность измерения;
* Стабильность показаний;
* Независимость показаний от давления и температуры;
* Сравнительная несложность измерительной схемы;
* Возможность получений универсальной градуировки.
25
Вихревые расходомеры
Недостатки вихревых расходомеров
 Невозможно использовать при малых скоростях потока;
 Значительная потеря давления (может достигнуть 30-50
кПа);
 Изготавливают для труб имеющих диаметр от 25 до 150300 мм;
 Работу вихревых расходомеров могут нарушать
акустические и вибрационные пульсации (такие помехи
создаются различными источниками: насосами,
компрессорами, вибрирующими трубами и т. д.).
26
Кориолисовые расходомеры
Кориолисовы
расходомеры — приборы,
использующие для
измерения массового
расхода жидкостей, газов и
всвесей без
предварительного
определения плотности и
объема эффект Кориолиса.
27
Кориолисовые расходомеры
Преимущества измерения кориолисовым расходомером:
• высокая точность измерений параметров;
• работают вне зависимости от направления потока;
• не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после
расходомера;
• нет затрат на установку вычислителей расхода;
• надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при
изменении температуры и давления рабочей среды;
• длительный срок службы и простота обслуживания благодаря
отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;
• нет необходимости в периодической перекалибровке и
регулярном техническом обслуживании;
• измеряют расход сред с высокой вязкостью.
28
Тахометрические (турбинные) расходомеры
Расходомер или счетчик воды, имеющий подвижной,
обычно вращающийся элемент, скорость движения которого
пропорциональна объемному расходу.
29
Тепловой расходомер
Принцип действия расходомера:
Измерение эффекта теплового воздействия
на поток, зависящее от расхода.
Применение:
Расходомеры в основном предназначены
для измерения расхода газа в лабораторных
условиях, реже жидкости.
Разновидности тепловых расходомеров:
- калориметрический тепловой расходомер
- термоконвективный тепловой расходомер
- термоанемометрический тепловой
расходомер
Недостатки:
Малая надежность.
30
Газоанализаторы
Газоанализа́тор — измерительный прибор для определения
качественного и количественного состава смесей газов.
По принципу действия:
1. Приборы, основанные на физических методах анализа,
включающих вспомогательные химические реакции.
Определяется изменение объема или давления газовой
смеси в результате химических реакций ее отдельных
компонентов
2. Приборы, основанные на физических методах анализа,
включающих вспомогательные физико-химические
процессы:
 термохимические – тепловой эффект реакции;
31
Газоанализаторы
 электрохимические – электрическая проводимость
раствора;
 фотоколориметрические – изменение цвета веществ;
 хроматографические – разделение компонентов между
подвижной и неподвижной фазами и др.
3. Приборы, основанные на чисто физических методах
анализа
 термокондуктометрические – измерение
теплопроводности газов,
 денсиметрические – измерение плотности газовой
смеси,
 магнитные – определение концентрации кислорода,
 оптические – измерение оптической плотности и др.
32
Термокондуктометрические газоанализаторы
Работа термокондуктометрических газоанализаторов
основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от
наличия различных компонентов, входящих в ее состав.
33
Термохимические газоанализаторы
Принцип работы
газоанализаторов, использующих
термохимические датчики
концентрации, основан на
измерении повышения
температуры нагретой платиновой
нити, на поверхности которой
происходит каталитическое
сгорание горючих компонентов
газовой смеси.
34
Оптические газоанализаторы
В основу работы
оптического газоанализатора
положено свойство
селективного поглощения
различными газами потока
излучения.
35
Магнитные газоанализаторы
В магнитных
газоанализаторах, относящихся к
анализаторам бинарных смесей,
концентрация определяемого
компонента измеряется по
изменению магнитных свойств
газовой смеси.
36
Электрохимические газоанализаторы
К электрохимическим газоанализаторам относятся
устройства, в которых выходной сигнал определяется
электрохимическими явлениями, происходящими в
электродных системах, погруженных в анализируемый газ
или контактирующий с ним раствор.
Электрохимические методы в основном используются
для анализа жидкостей.
Различают кондуктометрический и
потенциометрический
методы анализа.
37
Измерение концентрации растворов
1. Денсиметрические анализаторы –
пьезокомпенсационные плотномеры
2. Ультразвуковые анализаторы.
38