Отечественная приборостроительная промышленность выпускает огромное количество различных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям сахарного производства. Одновременно в сахарной промышленности создаются и успешно внедряются специальные приборы и устройства, необходимость изготовления которых вызвана спецификой свойств продуктов [8].

Внедрение средств автоматизации в сахарную промышленность в значительной мере зависит от правильного выбора типов и мест установки датчиков и исполнительных механизмов.

Приборы для измерения температуры.

Измерение температуры производится с помощью общетехнических приборов - термометров, которые подразделяются на термометры расширения, термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления.

Термометры расширения основаны на использовании свойств газов и жидкостей, при изменении температуры изменять свой объем, а твердых тел - линейные размеры. Термометры этого типа подразделяются на жидкостные, манометрические и дилатометрические. К достоинствам приборов этого класса следует отнести малую инерционность измерения и взрывобезопасность; к недостаткам - низкую ремонтопригодность в условиях завода, особенно при выходе из строя чувствительного элемента или капилляра, относительно низкий класс точности (1-1,5).

Термоэлектрические преобразователи базируются на возникновении в разнородных проводниках термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) при наличии разности температур между точками их соединения. Приборы этого типа целесообразно использовать для измерения температур выше 400 градусов. На участке дефекосатурации термоэлектрические преобразователи не используются.

Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) основаны на зависимости сопротивления металлов от изменения температуры. В качестве чувствительных элементов используются медь, платина, никель, железо. Термометры сопротивления в комплекте с автоматическими мостами имеют высокий класс точности, освоены службой КИПиА сахарных заводов, надежны и удобны в эксплуатации, комплектуются необходимыми устройствами. Недостатком приборов является инерционность измерения.

Приборы для измерения расхода.

Измерения расхода осуществляется расходомерами. В сахарной промышленности нашли применение расходомеры переменного и постоянного перепада давления, переменного уровня и электромагнитные.

Расходомеры переменного перепада давления представляют собой сужающее устройство, установленное в разрезе трубопровода на пути движения вещества. При движении, вследствие перехода части потенциальной энергии в кинетическую, средняя скорость потока в суженом сечении повышается. В результате появляется разность статических давлений (до сужающего устройства и после него). Перепад давлений измеряется U-образным манометром.

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры) представляют собой коническую трубку, внутри которой помещен поплавок. Принцип действия ротаметра основан на изменении площади выходного сечения сужающего устройства при изменении расхода проходящего через него вещества при подъеме поплавка. В момент равенства сил, действующих на поплавок снизу вверх, и силы тяжести, действующей сверху вниз, последний останавливается, и высота его подъема фиксируется, отображая расход вещества.

Расходомеры переменного уровня предназначены для измерения расхода агрессивных жидкостей, содержащих взвеси (суспензии) и смешанных с газами, и представляют собой сосуд, в котором установлена диафрагма, делящая его на две камеры. В измерительную камеру поступает жидкость, здесь же размещается измерительное устройство с индикатором уровня. Сливная камера (за диафрагмой) имеет патрубок для отвода жидкости из расходомера. Чем больше расход, тем выше уровень в камере перед диафрагмой. Этот уровень измеряется поплавковым уровнемером [5].

Электромагнитный (индукционный) расходомер основан на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем, согласно которому в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости.

Для измерения расхода газа применяются счетчики роторного типа Поток газа зависит от величины зазора между корпусом и прямоугольными площадками на концах наибольших диаметров роторов.

Зазоры колеблются от 0,04 до 0,1 мм и определяются типоразмером счетчика. Синхронизация вращения роторов достигается с помощью двух пар одинаковых зубчатых колес, укрепленных на обоих концах роторов вне пределов измерительной камеры.

Промышленные счетчики газа ротационные типа РГ предназначены для учета объемного количества очищенных неагрессивных горючих и негорючих газов в сетях низкого давления при температуре рабочей среды 0-50 градусов, давлении 0,1 МПа и потере напора на приборе при номинальном расходе около 300 Па. Наименьший расход газа через счетчик составляет 10% от номинального, наибольший - 120% от номинального. Перед счетчиком необходимо установить фильтр [23].

Приборы для измерения плотности.

Плотность растворов в свеклосахарном производстве является одним из важных качественных показателей работы технологических участков. При производстве сахара используются следующие виды плотномеров: поплавковые, гидростатические, радиоизотопные.

Поплавковые плотномеры основаны на законе Архимеда. Они разделяются на плотномеры частичного (ареометрические) и полного (буйковые) погружения. У плотномеров полного погружения чувствительный элемент помещается в сосуд с контролируемым раствором, где на него действует выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости с учетом ее температуры. При этом возможно измерение перемещения поплавка, либо выталкивающей силы.

Гидростатические плотномеры основаны на зависимости гидростатического давления р столба жидкости высотой Н от плотности жидкости q, что выражается уравнением p=qgH и делятся на приборы, непосредственно измеряющие давление жидкости (мембранные, сильфонные), и приборы, измеряющие давление косвенным путем (пневмометрические, гидропневмометрические). Для исключения влияния на точность показаний гидростатических плотномеров измерение уровня жидкости или давления используется дифференциальный метод, то есть производится измерение давления жидкости на двух уровнях. Гидростатические плотномеры применяются для измерения плотности вязких, загрязненных, кристаллизирующихся и агрессивных жидкостей в закрытых и открытых резервуарах.

Сильфонные плотномеры отличаются конструктивным исполнением. В сахарном производстве широкое распространение получили сильфонные плотномеры типа ПЖС. В результате длительной эксплуатации общепромышленного сильфонного плотномера ПЖС-П установлено, что сильфоны прибора заполняются с течением времени твердыми частицами, присутствующими в сиропе, что требует установки перед ним сменного фильтра из фильтровальной ткани. Опыт эксплуатации плотномера ПЖС-П позволяет использовать его для измерения плотности сиропа в качестве датчика системы регулирования. Применение гидропневматического плотномера ограничивается только индикацией, так как он имеет запаздывание порядка 3 минут, определяющееся временем пребывания сиропа в отсеке перед измерительной камерой для удаления из него пузырьков воздуха.

Пневмометрические плотномеры основаны на продувании газом столба жидкости постоянной высоты с помощью пневматической трубки. В качестве газа используется, в частности, воздух или пар, а его давление служит мерой плотности. В дифференциальных плотномерах этого типа при помощи пневматических трубок измеряется разность давлений двух столбов жидкости разной высоты.

Гидропневмометрические плотномеры применяются для измерения плотности жидкости, которая при контакте с воздухом образует осадок (известковое молоко). При этом используется промежуточная жидкость, разделяющая газ и контролируемую среду. В таком плотномере разделяющая жидкость - вода подается из напорного бачка в сосуды, погруженные на разную глубину в контролируемую жидкость. Вода, вытесняя контролируемую жидкость, заполняет сосуды до уровней, зависящих от плотности этой жидкости. Через ротаметры в трубки, погруженные в сосуды на одинаковую глубину, подается сжатый воздух, разность давлений которого измеряется дифманометром. Такие плотномеры служат для контроля плотности в открытых сосудах, а основная погрешность их составляет 4% от диапазона измерения.

Радиоизотопные плотномеры относятся к бесконтактным приборам, которые применяются для измерения плотности агрессивных или вязких жидкостей, пульпы и жидкостей, находящихся под высоким давлением или имеющих высокую температуру в трубопроводах большого диаметра, и лишь в тех случаях, когда другие плотномеры неприменимы, а также при необходимости контроля плотности в труднодоступных местах.

Приборы для измерения уровня.

В сахарной промышленности применяются различные типы приборов для измерения уровня (уровнемеры): поплавковые, гидростатические, пневмометрические и основанные на использовании физических свойств жидкостей.

Поплавковые уровнемеры состоят из чувствительного элемента (поплавка), преобразователя перемещения или силы в выходной сигнал, элементов механической связи и местного указателя.

Поплавковые уровнемеры строятся на принципах постоянного и переменного погружения чувствительного элемента. В первом случае противодействующая сила создается силой тяжести поплавка, который погружается в жидкость постоянно и повторяет изменение ее уровня. Во втором случае противодействующая сила создается пружиной и изменяется при перемещении длинного цилиндрического поплавка (буйка) переменного погружения.

Буйковые уровнемеры типа УБ широко используются и предназначены для непрерывного преобразования уровня жидкости, находящейся под атмосферным, избыточным или остаточным давлением в унифицированные электрический токовый (УБ-Э) или пневматический (УБ-П) сигналы для дистанционной передачи. Контролируемые среды должны быть однородными, невязкими, не должны выпадать в осадок и кристаллизоваться.

Регуляторы уровня РУБ кроме измерительной имеют еще и регулирующую часть и широко применяются при автоматизации уровней на выпарной установке, а также на вспомогательных участках, где необходимо автономное поддержание уровней по месту без использования щита управления (например, измерение и поддержание уровней в сборниках конденсата).

Дифманометры - уровнемеры типа ДС-ПЗ применяются в расходомерах конденсата РК-ВНИИСП для измерения уровня конденсата перед диафрагмой пропорционального слива. В этом случае избыточное давление в расходомере конденсата автоматически учитывается минусовой камерой дифманометра.

Гидростатические уровнемеры, использующиеся для контроля уровня загрязненных, вязких и пенящихся жидкостей и суспензий, основаны на измерении давления р (в Па), создаваемого столбом жидкости. Для измерения этого давления используются магнитоупругие, тензометрические и другие преобразователи.

Пневмометрические уровнемеры можно применять для измерения уровня сока в диффузионных аппаратах, сборниках системы стабилизации потока, сборниках сиропа в продуктовом отделении. Пневмометрический уровнемер комплектуется дифманометром, пневмометрической трубкой, устанавливаемой в нижней части аппарата, и регулятором малых расходов воздуха. Плюсовая камера дифманометра соединяется с пневмометрической трубкой. Параллельно дифманометру подключается дроссель, через который подается воздух. Воздух из пневмометрической трубки барботирует через жидкость, и его давление измеряется дифманометром. С увеличением уровня гидравлическое сопротивление воздуха увеличивается, давление в трубке растет и соответственно дифманометр выдает больший выходной сигнал. С падением уровня в сборнике давление в трубке снижается, что приводит к уменьшению выходного сигнала дифманометра. Количество воздуха, подаваемого в пневмометрическую систему, устанавливается минимально возможным, и поэтому потери на трение сводятся к нулю. Применение пневмометрического способа измерения оправдано в случае загрязненных и кристаллизирующихся сред. При измерении уровня в открытых сборниках с чистой средой, например сборниках конденсата и воды, дифманометр - уровнемер подключается непосредственно к контролируемой жидкости. В качестве дифманометров - уровнемеров для обеспечения максимальной взаимозаменяемости используются приборы ДС-ПЗ и ДМ.

Уровнемеры, основанные на использовании физических свойств жидкостей, базируются на измерении омического сопротивления, диэлектрической проницаемости или электрической проводимости, поглощения жестких излучений. Перспективной для применения в сахарной промышленности является система унифицированных высокочастотных резонансных измерителей и сигнализаторов уровня в блочно - модульном исполнении для ГСП. Она представляет собой первую в отечественной и зарубежной практике унифицированную систему общепромышленных уровнемеров и сигнализаторов уровня, основанную на едином методе измерения. Эта система позволяет решать все основные задачи по измерению, контролю и сигнализации уровня практически любых сред, обладает лучшими метрологическими, эксплуатационными и технологическими характеристиками измерителей по сравнению с существующими отечественными и зарубежными образцами, обеспечивает значительное сокращение номенклатуры выпускаемых измерителей уровня, основанных на различных физических принципах.

Работа измерителей и сигнализаторов уровня системы основана на радиоволновом резонансном методе, использующем эффект измерения резонансной частоты высокочастотных колебательных систем с распределенными электромагнитными параметрами (отрезков длинных линий, плоских спиралей с распределенной межвитковой емкостью и т.п.), помещенных в рабочую зону контролируемого параметра. Система характеризуется конструктивной простотой и высокой надежностью первичных преобразователей, повышенной точностью измерения, расширенными эксплуатационными возможностями (принципиальная взрывобезопасность первичного преобразователя, работоспособность его в агрессивных средах, значительная дистанционность работы первичного преобразователя с электронным блоком и прочее), высокой степенью универсальности измерителей и сигнализаторов уровня по отношению к электромагнитным свойствам контролируемой среды, высокой степенью унификации, экономичностью и технологичностью изготовления измерителей, что обусловлено единым методом измерения, использование принципа блочно-модульной компоновки электронных блоков и максимальным применением микроэлектроники.

Для дискретной сигнализации о состоянии уровня в том или другом аппарате широко применяют электрический регулятор - сигнализатор уровня ЭРСУ. Он используется для сигнализации жидких электропроводных сред, таких как вода, сок, сироп. Не рекомендуется применение датчика на пенящихся и кристаллизующихся жидкостях (диффузионный сок, формалин, густой сироп).

Приборы для определения состава и свойств продуктов.

Измерение параметров, характеризующих состав и свойства веществ, участвующих в технологическом процессе, играет важную роль в повышении эффективности и улучшении показателей работы сахарного завода. Особенности технологических сред сахарного производства ограничивают применение общепромышленных средств автоматического контроля состава и свойств веществ. На участке дефекосатурации используется рН-контроль, который производится при помощи рН-метра.

РН-метр предназначен для измерения величины рН раствора и основан на зависимости потенциала любого электрода от концентрации одноименных ионов в растворе. РН контроль использует явление электролитической диссоциации всех водных растворов на ионы водорода (Н+) и ионы гидроксила (ОН-):

(рН+) + (рОН-) =рКв,

где (Н+) - концентрация ионов водорода,

(ОН-) - концентрация ионов гидроксила,

Кв - константа электролитической диссоциации,

р=-log10 - символ отрицательного десятичного логарифма.

Особенностью электролитической диссоциации является постоянство ионного произведения для воды и водных растворов, которое равно рКв=14 при температуре раствора 25 градусов. С изменением температуры величины рКв и рН заметно изменяются, в то время как значение рОН в растворе сильной щелочи практически считается неизменным.

Таким образом, если бы оказалось возможным измерять величину рОН, контроль и регулирование технологических процессов по активности водородных ионов растворов значительно упростились бы. К сожалению, надежных приборов для прямого измерения величины рОН пока не разработано, и её определение осуществляется через рН раствора.

Для измерения рН в свеклосахарном производстве применяют колориметрический, кондуктометрический и потенциометрический методы. Наиболее распространен потенциометрический метод. В основу метода положено измерение активности водородных ионов в растворах с помощью специальных электродных систем избирательного действия. На практике в качестве чувствительного элемента используют металлооксидные и стеклянные электроды. Металлооксидный электрод представляет собой металлический стержень, поверхность которого окисляется за счет кислорода воздуха либо путем обработки электрода каким - либо окислителем. В качестве таких электродов используются висмутовый, вольфрамовый, молибденовый, сурьмяный и др. В сахарной промышленности сурьмяные электроды получили распространение благодаря высокой прочности, что позволяет осуществить механическую очистку поверхности электродов от осадков, и низкому электрическому сопротивлению. Применение сурьмяных электродов позволяет измерять активность водородных ионов с точностью до 0,2 рН. Для обеспечения более высокой точности необходимо соблюдать следующие условия:

высокая степень чистоты металлической сурьмы (сумма примесей не должна превышать 0,005%);

минимальная буферность растворов;

расположение электродов в проточном растворе, содержащем воздух или

кислород;

постоянство скорости движения раствора;

отсутствие в растворе ионов металлов, более благородных, чем сурьма;

отсутствие в растворе сильных окислителей или восстановителей;

надежная защита нерабочих поверхностей электрода.

Стеклянные измерительные электроды нашли широкое распространение в технологических средах свеклосахарного производства благодаря высокой точности, универсальности, независимости результатов измерений от побочных факторов, разнообразию освоенных приборостроителями элементов. Однако в условиях высокой температуры и высокой щелочности, создаваемой с помощью СаО, чувствительный элемент датчика покрывается осадком СаСО₃, а водородная характеристика его не линейна. Осадок с электродов удаляют путем периодического погружения их в раствор соляной кислоты. Попытки предотвратить осаждение СаСО₃ механическим способом окончились неудачей, поэтому ведутся работы по ультразвуковой очистке. Нелинейность водородной характеристики в крайних точках шкалы рН допускается равной 0,2 единицы и устраняется различными присадками в составе стекла чувствительного элемента. С учетом сказанного, применение металлооксидных электродов для практического использования является целесообразным, особенно в средах, где щелочность создается известью. Величина рН соков и их щелочность изменяются параллельно, и сигнал рН зависит от температуры раствора.

Величина рН_Т щелочного раствора, при температуре Т градусов процесса, определяется относительно величины рН₂₀, задаваемой технологическим режимом при температуре 20 градусов в зависимости от температурного коэффициента К_Т по выражению:

рН_Т = рН₂₀-К_Т (Т-20).

Температурный коэффициент щелочных свеклосахарных растворов зависит от качества перерабатываемого сырья, зоны свеклосеяния, величины рН₂₀ и лежит в диапазоне 0,005-0,03. Растворы с большей величиной рН₂₀ имеют и больший температурный коэффициент. Обычно величина рН₂₀ определяется в пробе, предварительно охлажденной до 20 градусов, что снижает оперативность контроля процесса. Этот недостаток устраняется, если величина pН₂₀ раствора находится по величине рН_Т, измеренной рН-метром, и температурному коэффициенту К_Т, определяемому в лаборатории с помощью специальных таблиц. По этим таблицам можно также найти рН_Т по заданной величине рН₂₀ и известному температурному коэффициенту. Ориентировочная количественная оценка зависимости рН от температуры показывает, что на 1-й сатурации изменение температуры раствора на 2 градуса или щелочности на 0,002% СаО вызывает изменение величины рН на 0,04 единицы. Поэтому при автоматическом управлении процессом по величине рН вводится коррекция по температуре жидкости, либо она стабилизируется до объекта измерения.

Для измерения рН сахарных растворов и воды используются чувствительные элементы ДП_Г-4М (погружной) и ДМ-5М (магистральный) в комплекте с преобразователями рН-261. Чувствительные элементы ДП_Г-4М и ДМ-5М комплектуются стеклянными измерительными электродами ЭСП-00-14 и вспомогательными насыщенными хлорсеребряными электродами ЭХСВ-1 проточного типа или не проточными электродами ЭВП-08. Из выпускаемых стеклянных измерительных электродов в сахарной промышленности используют электроды типа ЭСП-01-14, предназначенные для измерения рН растворов температурой до 100 градусов и давлением 0-0,6 МПа в пределах 0-14, а также электроды ЭСГТ-31-06 для растворов температурой 70-150 градусов.

В настоящее время в промышленности используются преобразователи П-201, П-215, представляющие собой устройства для преобразования ЭДС чувствительных элементов, применяемых для измерения рН, в унифицированный выходной сигнал 0-5 мА. Преобразователи не имеют шкал, показывающие приборы поставляются в комплекте, но устанавливаются отдельно. Приборы имеют выход по напряжению для подключения самопишущих потенциометров с пределами измерения 0-100 мВ, пределы измерения преобразователей изменяются от - 1 до +14 рН, а диапазон измерения соответствует 1; 2,5; 5; 10; 15 рН.

3.3 Выбор типов и мест расположения датчиков