Вторичные приборы электрических и пневматических систем дистанционных измерений

Приборы контроля и регистрации  уровня 

Абсолютное значение уровня или отклонение уровня от номинального значения измеряется уровнемерами. Измерение уровня происходит как в открытых сосудах, так и в ёмкостях, находящихся под давлением. 

По принципу действия уровнемеры подразделяются на гидростатические, поплавковые, ёмкостные, радиоизотропные и другие, которые получили незначительное распространение. 

Гидростатические  уровнемеры основаны на измерении давления, создаваемого столбом жидкости, или  веса жидкости, находящейся в конкретном сосуде. 

Существует много  разновидностей уровнемеров, которые  измеряют давление столба или вес  жидкости. Во всех этих уровнемерах, как  правило, главной является погрешность  за счёт изменения плотности жидкости, уровень которой изменяется в зависимости от температуры. Для уменьшения этой погрешности создаются сложные измерительные системы, одновременно измеряющие гидростатическое давление и плотность жидкости и корректирующие затем показания уровнемера в соответствии с плотностью жидкости. 

Все системы измерения  уровня жидкостей гидростатическим методом требуют тщательного  анализа измерительной системы, соединительных линий, их температурного режима, особенностей работы измерительных  преобразователей. Например, для одной  и той же системы измерения уровня в барабане котла применение мембранных дифманометров вместо поплавковых существенно уменьшает возможные погрешности измерения уровня. 

В качестве уровнемеров  используют серийные дифманометры - поплавковые, мембранные и сильфонные. В ряде технологических процессов возможно использование пневмометрических уровнемеров, в которых гидростатическое давление столба жидкости уравновешивается давлением воздуха (инертного газа). В качестве измерительного преобразователя, как правило, используются дифманометры, а при изменении в открытых сосудах могут быть использованы напорометры и манометры. Существенным преимуществом пневмометрических уровнемеров является практическая независимость их показаний от температурного режима соединительных линий. 

Пневмометрические уровнемеры находят широкое применение для измерения уровня агрессивных жидкостей. 

В поплавковых уровнемерах  измерение уровня основано на измерении  положения поплавка или силы, воздействующей на поплавок, при изменении уровня.

Поплавковые уровнемеры являются одними из наиболее простых и надёжных. Однако они практически не могут применяться при высоких давлениях. Они позволяют контролировать уровень жидкостей в широком диапазоне от 50 до 2000 мм. К таким сигнализаторам предельных значений контролируемых уровней относятся поплавковые приборы типов РУС (реле уровня сильфонное), СУ (сигнализатор уровня), ДРУ (дистанционное реле уровня). 

На рис. 9.1 показан  общий вид прибора ДРУ-1. Поплавок 3 (полый металлический шар), соединенный  истоком 2 с микровыключателем 1, находится в контролируемой жидкости. При достижении максимального уровня на шар 3 действует предельная выталкивающая сила, заставляющая шток 2 подниматься и переключать микровыключатель, сигнализирующий аварийный уровень. 

Основными неисправностями таких приборов являются нарушение герметичности шара, коррозия контактов переключателя вследствие повышенной влажности контролируемой среды.

При необходимости  поверхность шара в местах повреждения  подлежит пайке припоем ПОС-40 или  ПОС-60 с помощью газовой горелки или паяльника. Микропереключатель в зависимости от степени коррозии подлежит ремонту или замене на новый тип МП. 

В буйковых уровнемерах  измеряемый уровень жидкости определяется по архимедовой силе, действующей  на цилиндр (буёк) в зависимости от его погружения в жидкость, т. е. от уровня. Буйковые уровнемеры могут работать при значительных давлениях. Применение поплавковых и буйковых уровнемеров затруднено в агрессивных жидкостях и средах с выпадающими осадками.

Для дистанционного измерения уровня жидкости применяются буйковые уровнемеры с унифицированным электрическим или пневматическим сигналом типов УБ-Э и УБ-П. Измерительные схемы уровнемеров построены по принципу компенсации усилий. 

Прибор УБ-П имеет  пневматический выходной сигнал, позволяющий подключать к нему регистрирующий манометрический прибор (для отсчета показаний уровня).

Самостоятельно в  качестве измерителя уровня уровнемер  УБ-П не применяется, а используется в качестве датчика. 

На рис. 9.2 представлен  принцип действия данного уровнемера. Буек 10, помещенный в жидкость, через систему рычагов уравновешен в определенном положении противодействующим грузом Р1. При изменении уровня жидкости меняется выталкивающая сила, действующая на поплавок. Вследствие этого нарушается равновесие измерительной системы "груз - противовес" и на чувствительном элементе изменение уровня преобразуется в пропорциональное усилие, уравновешиваемое усилием сильфона обратной связи 8. Это давление и является пневматическим выходным сигналом уровнемера, которое изменяется в пределах 0,02-0,1 МПа. 

Ёмкостные уровнемеры используют для измерения уровня изменения ёмкости измерительного преобразователя, вызванного изменением уровня жидкости. Уровнемеры такого типа могут применяться для измерения  как неэлектропроводных, так и электропроводных жидкостей. Они пригодны для измерения уровня в широком диапазоне давлений и температур агрессивных и неагрессивных измеряемых сред. Их показания зависят от диэлектрической проницаемости среды, которая может изменяться с температурой. Применение компенсационных ёмкостей позволяет существенно уменьшить это влияние, но не исключает его полностью. Электронная схема ёмкостных уровнемеров достаточно сложна, что ограничивает их широкое распространение. 

Радиоизотопные уровнемеры используют для измерения уровня ослабления радиоактивного излучения в зависимости от толщины или плотности просвечиваемого слоя. Конструкции многих уровнемеров предусматривают перемещение источника и приёмника излучения и "поиск" уровня или границы раздела. Радиоизотропные уровнемеры устанавливаются вне аппарата или установки, они не имеют непосредственного контакта с измеряемой средой, и это является их принципиальным преимуществом по сравнению с другими методами. Радиоизотропный уровнемер типа УР-6 имеет пределы измерения 0 - 1000 и 0 - 2000 мм, основную погрешность не более 0,5 % и скорость слежения за уровнем 0,5 м/мин.

Другие методы измерения  уровня - термические, акустические, оптические и другие имеют пока очень ограниченное применение. 

Электрические реле уровня типа РУ-Э3 (Рис 9.3.а) позволяют контролировать одновременно три уровня среды - нижний, средний и верхний. На плате 1 монтируются все три датчика уровня; расстояние между уровнями выбирается в зависимости от местных условий. Блок 2 представляет собой электрическую схему реле.  

Электрическая схема  прибора (Рис 9.3.б) включает трансформатор  Тр1, выпрямитель Д1-Д4, реле сигнализации Р1 и зажимы для подключения датчиков.

Датчики - стальные стержни  из нержавеющей стали Х18Н9Т - подключаются на зажимы 8, 9, 10 (соответственно нижний, средний и верхний). Сигнализация уровней (нижний, средний и верхний) осуществляется. 

В весовых уровнемерах, применяемых для измерения уровня сыпучих тел, используются магнитоупругие преобразователи, которые обеспечивают достаточно высокую точность измерения. Для преобразования силы тяжести бункера с заполняющим его материалом в электрический сигнал магнитоупругие преобразователи устанавливают под опорами его. Действие этих преобразователей основано на изменении магнитной проницаемости стальной пластины преобразователя при упругой механической деформации.  

Принципиальная электрическая  схема весового уровнемера для измерения  массы материала в бункере  с использованием магнитоупругих преобразователей приведена на рис. 9.4. Здесь в качестве измерительной схемы используется неуравновешенный мост, где R1 и R2 - постоянные резисторы плеч моста; РМП - рабочий магнитоупругий преобразователь; КМП - компенсационный магнитоупругий преобразователь; Ко - резистор для установки указателя вторичного прибора на начальную отметку; В - выпрямитель; ВП - вторичный прибор; СН - стабилизатор напряжения. В реальном весовом уровнемере в плече РМП моста находятся четыре последовательно соединенных магнитоупругих преобразователя. В качестве вторичного прибора могут быть использованы рассмотренные выше милливольтметры и автоматические потенциометры. 

Для дистанционного измерения и сигнализации уровня сыпучих материалов в некоторых  отраслях промышленности находят применение радиоактивные уровнемеры типа УР-8 и УДАР-5.

Вследствие отсутствия необходимых технических средств  на ряде ТЭС для измерения уровня угольной пыли в бункерах используются несерийные электромеханические (лотовые) уровнемеры. Несмотря на недостатки этих уровнемеров при дальнейшем их усовершенствовании и промышленном изготовлении они могут полностью обеспечить измерение уровня пыли в бункерах на ТЭС и автоматизацию их загрузки. 
 
 
 
 
 
 
 

В качестве примера  рассмотрим один из вариантов электромеханического (лотового) уровнемера, используемого  на ТЭС. Кинематическая схема этого уровнемера приведена на рис. 9.5. Здесь 1 - электронное реле; 2 - магнитный пускатель; 3 - электродвигатель колонки дистанционного управления (КДУ-1); 4 - реостатный преобразователь; 5 - вторичный прибор; 6 - рычажный механизм; 7 - кулачок; 8 - червячная пара; 9 - шкив из изоляционного материала, закрепленный на оси редуктора КДУ вместо штурвала для ручного управления; 10 - трос, намотанный на шкив, на свободном конце которого подвешен металлический груз; 11 - скользящий контакт; 12 - груз. 

При включении уровнемера в работу электронное реле с помощью  магнитного пускателя замыкает цепь питания электродвигателя. Вал электродвигателя, кинематически связанный со шкивом, вращает его в направлении, при  котором груз опускается. Как только груз придет в соприкосновение с угольной пылью, в электронном реле происходит переключение цепей, управляющих магнитным пускателем.  

Вследствие этого  электронное реле разрывает цепь питания первой обмотки магнитного пускателя, а, следовательно, и цепь питания электродвигателя. Затем электронное реле замыкает цепь питания второй обмотки магнитного пускателя, который включает в работу электродвигатель. Вал электродвигателя приводит в действие шкив, который, вращаясь в обратном направлении, поднимает груз. Опускание и подъем груза осуществляются через каждый 6 мин. Таким образом, этот уровнемер является периодически действующим с определенным интервалом времени. 

Перемещение груза, пропорциональное уровню пыли в бункере, преобразовывается посредством червячной пары, кулачка, рычажного механизма и реостатного преобразователя в напряжение, которое измеряет вторичный прибор. Шкала вторичного прибора может быть отградуирована в единицах, удобных для контроля уровня угольной пыли в бункере. 

Преобразователи сигналов дистанционных систем передачи информации 
 

Преобразователи систем дистанционной передачи информации могут быть с естественными и  унифицированными сигналами.

Рис. 2-1. Схема прямого  измерения термо-ЭДС 

Преобразователи с  естественными сигналами. Под естественным выходным сигналом понимается такая физическая величина, в которую наиболее рационально и просто преобразуется величина, измеряемая в первичном измерительном преобразователе, например: электрическая - напряжение, ток, сопротивление, частота или неэлектрическая - давление, перемещение, усилие, угол поворота. В качестве примера системы и преобразователя с естественным сигналом может служить термоэлектрический термометр в комплекте с милливольтметром, схема прямого измерения термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) которого приведена на рис. 2-1. Схема включает термоэлектрический преобразователь (Т), термоэлектродные (компенсационные) провода (ТП),термостатирующее устройство (ТС), соединительные провода (СП), уравнительное сопротивление Ry, добавочное сопротивление Ru и милливольтметр (мВ). При нагревании места соединения (горячего спая ГС) электродов в нем возникает термо-ЭДС. Величина ее при постоянной температуре холодного спая (?о) однозначно зависит от температуры нагрева, являющейся температурой контролируемой среды. Здесь термоэлектрический преобразователь (Т) выполняет роль первичного преобразователя, который преобразует температуру в электрический сигнал (термо-ЭДС), удобный для передачи на вторичный прибор (мВ), установленный на значительном расстоянии от объекта измерения. 

Преобразователи с  унифицированными сигналами. Эти приборы  позволяют преобразовывать сигналы, получаемые в результате непрерывного измерения контролируемых параметров, в пропорциональные сигналы определенной величины постоянного тока, переменного тока, давления сжатого воздуха, называемые унифицированным сигналом. Применение преобразователей с унифицированными сигналами позволяет сократить число видов вторичных приборов, обеспечить их взаимозаменяемость и расширить применение машин централизованного контроля. 

Наибольшее распространение  в пищевой промышленности получили электросиловые, частотно-силовые и  пневматические унифицированные преобразователи, использующие принцип силовой компенсации. Унифицированные преобразователи обычно состоят из двух основных элементов: измерительного блока, преобразующего значение измеряемого параметра в механическое усилие, и силового устройства, преобразующего это усилие в стандартный выходной сигнал.