Контроль та вимірювання параметрів рідин і газів

Прикладом двофазного середовища, що являє собою суміш твердої і газоподібної фаз, є пиловугільне паливо. Вугілля, попередньо розмелене до порошкоподібного стану, захоплюється повітряним потоком, створюваним повітродувкою, і подається в топку парового казана. Подібні ж двофазні суміші мають місце при пневмотранспорті борошна, цементу і інших речовин.

Дуже важливе значення в техніці має третій тип двофазних середовищ, а саме: суміші рідини з газом або парою. Нафта зі свердловини завжди надходить із газом. При цьому виникає досить важливе завдання вимірювання витрати двофазних нафтогазових сумішей. Крім того, у багатьох технологічних процесах, наприклад при сушінні, а також в опалювальних системах широко застосовується волога насичена пара. Вимірювання її витрати також є актуальним завданням.

У ряді випадків виникає необхідність вимірювання витрати трифазної або трикомпонентної суміші. Так, у багатьох гідросумішах поряд із твердою і рідкою фазами є ще і газова фаза - повітря. Подібні речовини називають газованими пульпами. Продукт вихідний з нафтових свердловин, як правило, складається не тільки з нафти і газу, але і супровідної їм води, тобто є трикомпонентним.

6.12.2 Структури багатофазних потоків

Структури потоків, що є сумішшю рідини з газом або парою, досить різноманітні. Це різноманіття залежить від відсоткового вмісту тієї або іншої фази, а також від швидкості потоку і у певних випадках від розміщення трубопроводу в просторі та від його діаметра.

Якщо концентрація однієї з фаз мала, то маємо дисперсну структуру, при якій краплі рідини (або пухирці газу) порівняно рівномірно розподілені в парі (рис.6.18 б) (або у рідині відповідно). Подібну структуру іноді називають краплинною.

Зі збільшенням вмісту рідини в парі (газі) починає утворюватися розшарування або роздільний потік, характер якого залежить від розміщення труби. При вертикальному положенні труби рідина поступово розміщується у вигляді кільцевого шару уздовж стінок, а в середній частині ще зберігається краплинна структура (рис.6.18 в). Ця перехідна форма потоку називається дисперсійно-кільцева. При подальшому збільшенні частки рідини в суміші настає повністю розшарований потік, що у вертикальній трубі має кільцеву структуру (рис.6.18 г). При цьому кільцевий шар рідини стає все товстішим, а центральна стрижнева частина заповнена однією парою (газом). У похилих і горизонтальних трубах при розшарованому потоці немає кільцевого шару рідини. Остання під дією сили ваги опускається вниз і рухається по нижній частині трубопроводу, у той час як пара або газ переміщаються по його верхній частині (рис.6.19 а).

Зі збільшенням швидкості потоку і одночасному зростанні частки рідини на поверхні розподілу фаз починають виникати хвильові гребені. Це має місце як у вертикальних (рис.6.18 г), так і в горизонтальних трубах (рис.6.19 б). Хвильові гребені зростають зі збільшенням швидкості і починають розсікати на окремі частини безперервний потік пари або газу, що рухається в центрі вертикальної труби або у верхній частині горизонтального каналу (рис.6.19 в). Так виникає пробкова, або снарядна, структура потоку (рис.6.18 д, е і рис.6.19 г). При такій структурі пара або газ переміщується у вигляді окремих пробок, які зростають і стискуються в процесі руху, перекриваючи собою повністю або частково поперечний переріз каналу.

У міру подальшого зростання частки рідини в потоці газові пробки зменшуються в розмірі, і поряд з ними вже рухаються дрібні газові пухирці. Подібна структура (рис.6.18 ж і рис.6.19 д) при ще більшому зменшенні частки газу переходить у пузиркову структуру. У вертикальній трубі ці пухирці рівномірно розподілені по її перетину (рис.6.18 з), а в горизонтальній або похилій вони рухаються у верхній частині труби (рис.6.19 е).



Найпоширенішою в промислових трубопроводах є пробкова структура газорідинного потоку. При такій структурі може виникнути припущення, що швидкість обох фаз однакова. Насправді, внаслідок хвильового характеру руху, при якому швидкість поширення хвилі дорівнює середній швидкості газу, останній переміщується в западинах хвиль, що утворяться в рідинних пробках. У результаті середня швидкість газової фази при пробковій структурі виявляється більше середньої швидкості рідини. Пробкова структура може супроводжуватися великомасштабними пульсаціями швидкості, тиску і концентрації фаз.

Розглянуті структури газорідинного потоку можуть бути певною мірою поширеній й на інші двофазні потоки, що є сумішшю газу або рідини із твердою фазою. Але при цьому треба враховувати ступінь дисперсності й однорідності твердої фази, а також форму і розмір твердих часток.

Під впливом гравітаційних сил у горизонтальних трубах зростає концентрація твердої фази в нижній частині труби в порівнянні з верхньою тим більше, чим крупніше розмір твердих часток. Це порушує осьову симетрію профілю швидкостей, характерну для сталого однофазного потоку, тому що швидкість суміші в нижній частині труби зменшується в порівнянні з верхньою. У вертикальних трубах цього немає. У розглянутих потоках трапляється як дисперсний, так і розшарований режими потоку. При останньому режимі в горизонтальних трубах, коли рідина протікає над шаром твердих часток, можливе утворення хвиль або дюн, що переміщуються в напрямку руху потоку. При цьому концентрація твердої фази періодично змінюється уздовж труби. Трапляються і агрегативні потоки, коли частки прагнуть до утворення конгломератів або пластівців, або ж коли більше легкий компонент - газ утворить пухирці, неутримуючих твердих часток.

6.12.3 Загальна характеристика методів вимірювання витрати багатофазних середовищ

Багатофазні і багатокомпонентні середовища відрізняються дуже великою різноманітністю, що залежить насамперед від роду окремих фаз і компонентів, а потім від ступеня їх дисперсності і характеру розподілу в суміші, причому на останнє впливає величина середньої швидкості потоку і розміщення трубопроводу: горизонтальне, вертикальне або похиле (під кутом). Далі досить істотним для потоку багатофазної речовини є різниця швидкостей між окремими фазами. Більш легка фаза, як правило, випереджає у своєму русі більш важку. Це викликає необхідність розрізняти істинні і витратні концентрації фаз, а також істинну і витратну щільність суміші. Все сказане створює додаткові труднощі при вимірюванні витрати багатофазних середовищ у порівнянні з однофазними. Проте у цей час є можливість вимірювати витрату як більшості багатофазних середовищ, так і витрату того або іншого компонента або фази (наприклад, твердої фази при гідро- або пневмотранспорті).

Застосовувані для цих вимірювань методи і прилади можуть бути поділені на три групи.

До першої групи відносять різні методи і засоби, розроблені для вимірювання витрати однофазних середовищ. У певних випадках ці засоби застосовуються без усякої зміни, наприклад, витратоміри змінного рівня, у яких здійснюється розподіл рідкої і газоподібної фаз. Але здебільшого буває необхідно враховувати специфіку вимірювальної двофазної речовини. Наприклад, у витратомірах із звужуючими пристроями при вимірюванні гідросумішей застосовуються тільки труби Вентурі, причому зі змінною горловиною, виконаної зі зносостійкого матеріалу, а при вимірюванні витрати вологої пари лише діафрагми, що практично не реагують на наявність важкого компонента - вологи. Те саме характерне і до силових витратомірів, з яких для двофазних речовин застосовуються лише коріолісові витратоміри. Ці витратоміри зручні для вимірювання витрати пульп і шламів і в них немає сепарації фаз при вимірюванні витрати газорідинних сумішей.

До другої групи можна віднести методи, що ґрунтуються на спільному застосуванні певних витратомірів, наприклад електромагнітних або ультразвукових, розроблених для однофазних речовин і приладів, що служать для вимірювання щільності двофазного потоку, а в деяких випадках ще і приладів, що вимірюють концентрацію окремих компонентів. Ці методи застосовуються при вимірюванні витрати трифазних речовин, а також при гідро- і пневмотранспорті.

Третю групу становлять методи і прилади, розроблені спеціально або переважно для вимірювання витрати багатофазних речовин. Таких методів поки ще небагато. До них варто віднести насамперед флуктуаційний метод, придатний для вимірювання досить широкого кола різних двофазних і двокомпонентних потоків. Певною мірою до цієї ж групи можуть бути віднесені вібраційні витратоміри, розроблені для вимірювання нафтогазових потоків.

Переходячи до оцінки досягнутої точності вимірювання багатофазних середовищ, варто сказати, що вона поки що досить обмежена. Здебільшого відносна наведена похибка вимірювання становить ±(3-5)%, а у певних випадках і більше, особливо, якщо мова йде про похибки вимірювання витрати окремо кожного з компонентів багатофазного потоку.

6.12.4 Вимірювання двофазних потоків витратомірами змінного перепаду тиску

Для вимірювання витрати однофазних потоків саме великого поширення дістали витратоміри змінного перепаду тиску із звужуючими пристроями. Тому, природно, що при вирішенні проблеми вимірювання витрати багатофазних речовин нерідко вдавалися і вдаються до витратомірів цього самого типу.

При проходженні двофазного середовища через звужуючий пристрій фаза, що має більш щільність, тобто більш важка, прискорюється в звужуючій частині пристрою повільніше, ніж більше легка, внаслідок дії сил інерції. Прискорення важкої фази в порівнянні з легкою буде тим сильніше, чим більш різниця густини фаз. Цей процес супроводжується збільшенням концентрації важкої фази. При подальшому розширенні потоку швидкості кожної з фаз, постійно зменшуючись, повертаються до первісного значення. Одночасно до вихідного значення повертається і концентрація важкої фази. Звідси можна зробити висновок про те, що чим коротше осьова довжина тієї частини звужуючого пристрою, на якій відбувається прискорення потоку, тим менша частина потенційної енергії, або інакше перепаду тиску витрачається на прискорення важкої фази. У діафрагмі ця довжина мінімальна. Тому в таких середовищах, як пиловугільна суміш або волога насичена пара, що мають більшу різницю густини важкої і легкої фаз і малу об'ємну концентрацію важкої фази, перепад тиску в діафрагмі майже цілком або у всякому разі в основній частині буде витрачатися на прискорення легкої фази і практично не буде реагувати на наявність важкої фази. Отже, застосовувати діафрагму для вимірювання витрати твердої фракції (вугілля, цементу та інших), яка переноситься повітряним потоком, недоцільно. Для цих цілей найкраще придатна труба Вентурі, що має відносно більшу довжину тієї своєї частини, на якій відбувається звуження потоку. Сопло ж займає проміжне положення між діафрагмою і трубою Вентурі. Але для вимірювання витрати легкої фази вологої пари діафрагма саме є відповідним пристроєм. Вона буде реагувати на суху частину вологої пари, що і становить особливий інтерес.

6.12.5 Вимірювання витрати суміші твердої і газоподібної фаз

У розглянутих сумішах тверда фаза у вигляді порошку диспергована в повітрі. Прикладами подібних середовищ є пиловугільне паливо, цемент, борошно та ін. Так само у сумішах діафрагма може дати лише витрату повітря. Вона практично не буде реагувати на наявність у потоці твердої фази. Але остання буде впливати на перепад тиску в таких звужуючих пристроях, як труба Вентурі, сопло або сопло Вентурі. Дійсно, чим більша концентрація твердої фази в потоці, тим більша буде енергія, затрачувана на її прискорення в таких звужуючих пристроях, і, отже, тим більшим буде перепад тиску в них. У горловині цих звужуючих пристроїв швидкість важкої фази значно відстає від швидкості легкої фази.

Вимірювання витрати розглянутих сумішей можна здійснити за допомогою двох звужуючих пристроїв (рис.6.20). Ці пристрої необхідно брати однотипними, наприклад, дві труби Вентурі, якщо тверда фаза надходить у потік між ними (рис.6.20 а).

Тоді перша труба Вентурі буде давати перепад тиску повітря, а друга - перепад тиску пилу. Якщо ж обидва звужуючих пристрої треба встановити там, де рухається аеросуміш, то першим з них повинна бути діафрагма, що дає перепад тиску повітря, а другим -- труба або сопло Вентурі, що дає перепад тиску пилу (рис.6.20 б).

6.12.6 Вимірювання витрати суміші твердої та рідкої фаз

Метод змінного перепаду тиску нерідко застосовується для вимірювання витрати пульп (зокрема, вугільних) і різних гідросумішей (наприклад, водоґрунтових, гідроторфу та ін.).

При цьому для забезпечення надійності і справності роботи витратоміра треба:

1. Запобігати випаданню твердої фази в мертвих зонах біля звужуючого пристрою.

2. Ураховувати можливість підвищеного зношування витратоміра.

3. Запобігати засміченню сполучних трубок, що передають перепад тиску до дифманометра.

Перше завдання вирішується застосуванням у всіх випадках для вимірювання витрати пульп і гідросумішей як перетворювача витрати лише труби Вентурі, що не мають мертвих зон, у яких могли б випадати тверді опади. Для запобігання зношуванню доцільно в горловині труби Вентурі мати циліндричну вставку із твердого сплаву. Найпоширеніший метод для захисту сполучних трубок від засмічення полягає в застосуванні гнучких роздільних перегородок з гуми, поліетилену та інших матеріалів. На рис.6.21 показана труба Вентурі із гнучкими перегородками. Розміщена горизонтально труба Вентурі має змінну циліндричну вставку 8 зі зносостійкого матеріалу, що охоплює не тільки горло труби, але і прилеглі ділянки вхідного і вихідного конусів, які зазнають посиленого зношування. Зносостійка вставка у багато разів подовжує термін служби витратоміра. Для можливості її заміни труба Вентурі виготовлена із двох рознімних частин 1 і 7. Відбір тиску робиться у верхній частині через патрубки 2, внутрішні діаметри яких не менше 20 мм. На цих патрубках змонтовані циліндричні посудини 3, закриті кришками 5, прикріпленими до фланців 6. На кришках закріплені тонкостінні гумові мішки 4 циліндричної форми, що відокремлюють пульпу від води, якою заповнені сполучні трубки. Якщо буде потреба, до посудин 3 для їх промивання може бути підведена водяна лінія.

6.12.7 Вимірювання об'ємної витрати або швидкості двофазної суміші з корекцією на концентрацію компонентів

Одночасне вимірювання середньої швидкості або об'ємної витрати потоку разом з вимірюванням його щільності дозволяє одержати масову витрату для однофазних, а також для двокомпонентних середовищ, якщо обидва компоненти суміші перебувають в одній фазі.

Для двофазних середовищ положення ускладнюється звичайно у розходженні швидкостей окремих фаз. Це розходження тим більше, чим сильніше відрізняється густина фаз одна від одної, а за наявності твердої фази воно залежить ще і від ступеня її дисперсності. Але навіть у пульпах, де густина твердої і рідкої фаз відрізняються порівняно незначно, різниця швидкостей досягає значної величини.

Недостатньо точне знання співвідношення швидкостей окремих фаз буде джерелом похибки при вимірюванні загальної масової витрати суміші.

Якщо ж метою вимірювання є лише масова витрата твердого компонента, що транспортується водою або повітрям, то замість вимірювання середньої швидкості потоку необхідно вимірювати середню швидкість твердої фази.

Для вимірювання щільності у двофазних витратомірах застосовуються всілякі методи і прилади: гравіметричні; гідростатичні, іонізаційні, ультразвукові, діелькометричні (ємнісні), кондуктометричні, вібраційні, трибоелектричні та ін. Більш обмежений вибір приладів для вимірювання об'ємної витрати або швидкості. Так, наприклад, широко застосовувані в однофазних середовищах турбінні витратоміри непридатні з міркувань міцності, якщо одним з компонентів є тверда фаза. Практичне застосування знайшли, головним чином, електромагнітні, ультразвукові, змінного перепаду і кореляційні витратоміри. Важливою перевагою останніх є те, що вони за наявності твердої фази контролюють саме її швидкість руху.

Розгляданий метод звичайно застосовується при гідро- або пневмотранспортах, коли необхідно, як правило, знання лише масової витрати твердої фази.

6.12.8 Загальна характеристика вимірювання витрати трифазних і трикомпонентних речовин

На практиці нерідко виникає необхідність вимірювання витрати як трифазних, так і трикомпонентних речовин. Насамперед така необхідність виникає при гідротранспорті кускових і зернистих сипучих матеріалів. Так, пульпа після флотаційних машин і згущувачів на збагачувальних фабриках, як правило, містить газ. Пульпа, що містить газ, називається газованою пульпою. Знехтування зазначеною газовою фазою може привести до великої похибки при вимірюванні витрати пульпи. Крім того, на похибку вимірювання витрати буде впливати ковзання між окремими фазами, обумовлене нерівністю їх швидкостей. Як правило, швидкість твердої фази менша швидкості рідини, а швидкість останньої звичайно буває меншою швидкості газу. Зі збільшенням розміру твердих часток різниця між швидкостями зростає.

Природно, що вимірювання витрат трифазної і трикомпонентної сумішей є досить складним завданням і вимагає застосування принаймні трьох вимірювальних приладів або перетворювачів, а також обчислювального пристрою або схеми корекції.

Є пропозиції вимірювати витрати окремих компонентів трифазних або трикомпонентних речовин за допомогою трьох витратомірів, що характеризуються різними властивостями, а також за допомогою обчислювального пристрою, який визначає на основі показань цих приладів витрати окремих компонентів. Такий метод вимірювання в зазначених роботах названий методом специфічних потоків.

Так, наприклад, контроль трикомпонентного потоку, що складається з нафти, газу і води, можна здійснити за допомогою трьох витратомірів або трьох перетворювачів витрати: силового (коріолісового типу), реагуючою на загальну масову витрату потоку; камерного (шестеренного, лопатевого або іншого типів), реагуючою на загальну об'ємну витрату, і калориметричного, реагуючого на загальну теплову витрату.

7. ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ РІДИН

7.1 Загальні відомості

Рівнем називають висоту заповнення технологічного апарата робочим середовищем -- рідиною або сипучим тілом. Рівень робочого середовища є технологічним параметром, інформація про нього необхідна для контролю режиму роботи технологічного апарата, а в ряді випадків для керування виробничим процесом і для проведення заходів щодо енергоаудиту.

Шляхом вимірювання рівня можна одержувати інформацію про масу рідини в резервуарах. Подібна інформація широко використовується для керування виробничим процесом. Рівень вимірюють в одиницях довжини. Засоби вимірювання рівня називають рівнемірами.

Розрізняють рівнеміри, які призначені для вимірювання рівня робочого середовища; вимірювання маси рідини в технологічному апараті; сигналізації граничних значень рівня робочого середовища -- сигналізатори рівня.

За діапазоном вимірювання розрізняють рівнеміри широкого (з межами вимірювання 0,5-20 м) і вузького діапазонів (межі вимірювання (0…±100) мм або (0…±450) мм).

На даний час вимірювання рівня в багатьох галузях промисловості здійснюють різними за принципом дії рівнемірами, з яких дістали поширення візуальні, поплавкові, буйкові, гідростатичні, електричні, ультразвукові і радіоізотопні.

7.2 Візуальні засоби вимірювання рівня

До візуальних засобів вимірювання рівня відносять мірні лінійки, рейки, рулетки з лотами (циліндричними стрижнями) і скляні рівнеміри.

У виробничій практиці широкого застосування набули скляні рівнеміри. Вимірювання рівня за допомогою скляних рівнемірів (рис.7.1 а) ґрунтується на законі сполучених посудин. Вказівне скло 1 за допомогою арматур з'єднують із нижньою і верхньою частинами ємності. Спостерігаючи за положенням меніска рідини в трубці 1, роблять висновок про положення рівня рідини в ємності. Для виключення додаткової похибки, обумовленої розходженням температури рідини в резервуарі і у скляній трубці, перед вимірюванням здійснюють промивання скляних рівнемірів.

Для цього передбачений вентиль 2. Арматура скляних рівнемірів оснащується запобіжними клапанами, що забезпечує автоматичне перекривання каналів, які зв'язують вказівне скло з технологічним апаратом при випадковій поломці скла. Через низьку механічну міцність скляні рівнеміри звичайно виконують довжиною не більше 0,5 м. Тому для вимірювання рівня в резервуарах (рис.7.1 б) встановлюється декілька скляних рівнемірів з тим розрахунком, щоб вони перекривали один одного. Абсолютна по-хибка вимірювання рівня скляними рівнемірами ±(1-2) мм. При вимірю-ванні можливі додаткові похибки, пов'язані із впливом температури навколишнього середо-вища. Скляні рівнеміри застосовуються до тисків 2,94 МПа і до температури 300°С.

7.3 Поплавкові засоби вимірювання рівня

Серед існуючих різновидів рівнемірів поплавкові є найбільш простими. Дістали поширення поплавкові рівнеміри вузького і широкого діапазонів. Поплавкові рівнеміри вузького діапазону (рис.7.2) звичайно являють собою пристрій, який містить кульковий поплавок діаметром 80-200 мм, виконаний з нержавіючої сталі. Поплавок плаває на поверхні рідини і через штангу і спеціальне ущільнення з'єднується або зі стрілкою вимірювального приладу, або з перетворювачем 1 кутових переміщень в уніфікований електричний або пневматичний сигнал. Рівнеміри вузького діапазону випускаються двох типів: фланцеві (рис.7.2 а) і камерні (рис.7.2 б), що відрізняються способом їх установлення на технологічних апаратах. Мінімальний діапазон вимірювання цих рівнемірів 0-10 мм, максимальний -- 0-200 мм. Клас точності 1,5. Поплавкові рівнеміри широкого діапазону (рис.7.2 в) яляють собою поплавок 1, пов'язаний із противагою 4 гнучким тросом 2. У нижній частині противаги закріплена стрілка, що показує за шкалою 3 значення рівня рідини в ємності.

При розрахунках поплавкових рівнемірів підбирають такі конструктивні параметри поплавка, які забезпечують стан рівноваги системи «поплавок-противага» тільки за певної глибини занурення поплавка. Якщо знехтувати силою ваги троса і тертям у роликах, стан рівноваги системи «поплавок-противага» описується рівнянням

, (7.1)

де G_В, G_П -- сили ваги противаги і поплавка, Н;

S -- площа поплавка, м²;

h₁ -- глибина занурення поплавка, м;

с_ж -- густина рідини, кг/м³.

Підвищення рівня рідини змінює глибину занурення поплавка і на нього діє додаткова сила виштовхування. У результаті рівняння (7.1) порушується, і противага опускається вниз до того часу, доти глибина занурення поплавка не стане дорівнювати h₁, При зниженні рівня діюча на поплавок сила виштовхування зменшується, і поплавок починає опускатися вниз до того часу, доти глибина занурення поплавка не стане дорівнювати h₁. Для передачі інформації про значення рівня рідини в резервуарі застосовують сельсинні системи передачі.

7.4 Буйкові засоби вимірювання рівня

В основу роботи буйкових рівнемірів покладене фізичне явище, яке описується законом Архімеда. Чутливим елементом у цих рівнемірах є циліндричний буй, виготовлений з матеріалу із густиною, більшою за густину рідини. Буй перебуває у вертикальному положенні і частково занурений у рідину. При зміні рівня рідини в апараті маса буя в рідині змінюється пропорційно зміні рівня. Перетворення ваги буя в сигнал вимірювальної інформації здійснюється за допомогою уніфікованих перетворювачів «сила--тиск» і «сила--струм». Відповідно до виду використовуваного перетворювача сили розрізняють пневматичні та електричні буйкові рівнеміри.

Схема буйкового пневматичного рівнеміра наведена на рис.7.3. Рівнемір працює в такий спосіб. Коли рівень рідини в апараті дорівнює початковому h₀ (в окремому випадку h₀ може дорівнювати 0), вимірювальний важіль 2 перебуває в рівновазі, тому що момент М₁, створюваний вагою буя G, зрівноважується моментом М₂, створюваним противагою N.

Коли рівень рідини стає більшим h₀, частина буя занурюється в рідину, при цьому вага буя зменшується, а отже, зменшується і момент М₁, створюваний буєм на важелі 2. Внаслідок того, що М₂ стає більшим М₁, важіль 2 повертається навколо точки 0 за годинниковою стрілкою і прикриває заслінкою 7 сопло 8. Тому тиск у лінії сопла збільшується. Цей тиск надходить у пневматичний підсилювач 10, вихідний сигнал якого є вихідним сигналом рівнеміра. Цей самий сигнал одночасно посилається в сильфон негативного зворотного зв'язку 5. Під дією тиску Р_вих виникає сила R, момент М₃ якої збігається за напрямком з моментом М₁, тобто дія сили R спрямована на відновлення рівноваги важеля 2. Рух вимірювальної системи перетворювача відбувається до того часу, доти сума моментів всіх сил, що діють на важіль 2, не стане дорівнювати 0.

Крім розглянутої модифікації пневматичних рівнемірів, випускаються рівнеміри, оснащені уніфікованим перетворювачем «сила--тиск». Верхні межі вимірювання рівнеміра з уніфікованим електричним сигналом обмежені значеннями 0,02-16 м.

Буйкові засоби вимірювання рівня застосовуються при температурі робочого середовища від -40 до +400°С і тиску робочого середовища до 16 МПа. Класи точності буйкових рівнемірів 1,0 і 1,5.

7.5 Гідростатичні засоби вимірювання рівня

Вимірювання рівня гідростатичними рівнемірами зводиться до вимірювання гідростатичного тиску Р, Па, створюваного стовпом h рідини постійної густини с, відповідно до рівності

Р=с·g·h. (7.2)

Вимірювання гідростатичного тиску здійснюється:

- манометром, який підключають на висоті, що відповідає нижньому граничному значенню рівня;

- диференціальним манометром, який підключають до резервуара на висоті, що відповідає нижньому граничному значенню рівня, і до газового простору над рідиною;

- вимірюванням тиску газу (повітря), який прокачується по трубці, опущеної в рідину, що заповнює резервуар, на фіксовану глибину.

На рис.7.4 а наведена схема вимірювання рівня манометром. Застосовуваний для цих цілей манометр 1 може бути будь-якого типу з відповідними межами вимірювання, обумовленими залежністю (7.2). Вимірювання гідростатичного тиску манометром може бути здійснено і за схемою, наведеною на рис.7.4 б. Відповідно до даної схеми про значення вимірюваного рівня роблять висновок про тиск повітря, що заповнює манометричну систему.



У нижній частині манометричної системи розміщена ємність 2, отвір якої перекрито тонкою еластичною мембраною 1, а у верхньому отворі приєднаний манометр 3. Застосування еластичної мембрани виключає розчинення повітря в рідині, однак вводить похибку у визначення рівня через пружність мембрани. Перевагою даної схеми вимірювання гідростатичного тиску є незалежність показань манометра від його розміщення щодо рівня рідини в резервуарі.

При вимірюванні рівня за розглянутими схемами мають місце похибки вимірювання, обумовлені класом точності манометрів і змінами щільності рідини.

Вимірювання гідростатичного тиску манометрами доцільно в резервуарах, що працюють при атмосферному тиску. У протилежному разі показання манометра складаються з гідростатичного і надлишкового тисків.

Для вимірювання рівня рідини в технологічних апаратах, які перебувають під тиском, широкого застосування набули диференціальні манометри. За допомогою диференціальних манометрів можливе також вимірювання рівня рідини у відкритих резервуарах, рівня поділу фаз і рівня розділення рідин.

Вимірювання рівня у відкритих резервуарах, які перебувають під атмосферним тиском, здійснюється за схемою, поданою на рис.7.4 в. Дифманометр 1 через імпульсні трубки 2 з'єднаний з резервуаром і зрівняльною посудиною 3. Зрівняльна посудина застосовується для компенсації статичного тиску, створюваного стовпом рідини h₁ в імпульсній трубці. У процесі вимірювання рівень рідини в зрівняльній посудині повинен бути постійним. Вентиль 4 служить для підтримки постійного рівня в посудині 3. При рівності густини рідин, що заповнюють імпульсні трубки і резервуар, і за умови h₁= h₂ перепад тиску, Па, вимірюваний дифманометром,

ДР=с_ж·g·h. (7.3)

При вимірюванні рівня в апаратах, які перебувають під тиском, застосовують схему, наведену на рис.7.4 г. Зрівняльну посудину 3 у цьому випадку встановлюють на висоту, що відповідає максимальному значенню рівня, і з'єднують із апаратом. Статичний тиск Р в апараті надходить в обидві імпульсні трубки, тому вимірюваний перепад тиску ДР, Па, можна визначити за формулою

ДР= -с_ж·g·h. (7.4)

Як бачимо з рівняння (7.4), шкала вимірювального приладу рівнеміра буде оборотною. У розглянутих схемах можуть бути використані дифманометри з уніфікованим струмовим або пневматичним сигналом.

Якщо рідина, що заповнює резервуар, агресивна, то підключення дифманометра до резервуара здійснюється через розділювальні посудини.

Рівнеміри, у яких вимірювання гідростатичного тиску здійснюється шляхом вимірювання тиску газу, який прокачується по трубці, зануреної на фіксовану глибину в рідину, що заповнює резервуар, називають п'єзометричними. Схема п'єзометричного рівнеміра наведена на рис.7.4 д. П'єометрична трубка 1 розміщується в апараті, у якому вимірюється рівень. Газ надходить у трубку через дросель 2, що обмежує величину витрати. Для вимірювання витрати газу служить стаканчик 3 (витрата за допомогою стаканчика визначається за кількістю пухирців, які пробулькують через рідину, що заповнює його, за одиницю часу), а тиск підтримується постійним за допомогою стабілізатора тиску 4. Тиск газу після дроселя виміряється дифманометром 5 і служить мірою рівня.

При подачі газу тиск у п'єзометричній трубці поступово підвищується до того часу, доти зазначений тиск не стане дорівнювати тиску стовпа рідини висотою h. Коли тиск у трубці стане дорівнювати гідростатичному тиску, з нижнього відкритого кінця трубки починає виходити газ. Витрату підбирають такою, щоб газ залишав трубку у вигляді окремих пухирців (приблизно один пухирець у секунду).

При більшій витраті тиск, вимірюваний дифманометром, може бути трохи більшим, ніж гідростатичний, через додаткове падіння тиску, що виникає за рахунок тертя газу об стінки трубки при його проходженні. При дуже малій витраті газу збільшується інерційність вимірювання. Обидва фактори можуть збільшити похибку вимірювання рівня.

П'єзометричні рівнеміри дозволяють вимірювати рівень у широких межах (від декількох десятків сантиметрів до 10-15 м). При використанні для вимірювання тиску в п'єзометричній трубці дифманометра з уніфікованим вихідним сигналом мають відносну наведену похибку ±(1,0-1,5)%.

Точність вимірювання рівня п'єзометричними рівнемірами може бути істотно збільшена, якщо за засіб вимірювання гідростатичного тиску використати автоматичний цифровий манометр дискретно-безперервної дії.

Завдяки простоті реалізації на базі п'єзометричних рівнемірів, оснащених цифровими манометрами дискретно-безперервної дії, розроблені і вагоміри.

7.6 Електричні засоби вимірювання рівня

За видом чутливого елемента електричні засоби вимірювання рівня поділяють на ємнісні і кондуктометричні.

Ємнісні рівнеміри. У рівнемірах цього типу використовується залежність електричної ємності чутливого елемента первинного вимірювального перетворювача від рівня рідини. Конструктивно ємнісні чутливі елементи виконують у вигляді коаксіально розміщених циліндричних електродів або паралельно розміщених плоских електродів. Конструкція ємнісного чутливого елемента з коаксіально розміщеними електродами визначається фізико-хімічними властивостями рідини. Для неелектропровідних (діелектричних) рідин -- рідин, що мають питому електропровідність менше 10^-6 См/м, застосовують рівнеміри, оснащені чутливим елементом, схеми якого наведені на рис.7.5. Одиницею електропровідності в SI служить сименс (См) -- величина, обернена ому (Ом).

Чутливий елемент (рис.7.5 а) складається із двох коаксіально розміщених електродів 1 і 2, частково занурених у рідину. Електроди утворюють циліндричний конденсатор, міжелектродний простір якого до висоти h заповнено рідиною, а простір Н-h -- парогазовою сумішшю. Для фіксування взаємного розміщення електродів передбачений ізолятор 3.

У загальному вигляді електрична ємність, Ф, циліндричного конденсатора визначається рівнянням

, (7.5)

де е - відносна діелектрична проникність міжелектродної речовини;

е₀ -- діелектрична проникність вакууму;

е_ж -- діелектрична проникність рідини;

С₀ - ємність прохідного ізолятора (величина постійна);

Н -- висота електродів;

D, d - діаметри відповідно зовнішнього і внутрішнього електродів.

Для циліндричного конденсатора, міжелектродний простір якого заповнюється речовинами, які мають різні діелектричні проникності, відповідно до рис.7.5 а повна ємність С_П визначається виразом

С_П= С₀ + С₁ + С₂ , (7.6)

де С₀ - ємність прохідного ізолятора;

С₁ -- ємність міжелектродного простору, заповненого рідиною;

С₂ -- ємність міжелектродного простору, заповненого парогазовою сумішшю.

Для виключення впливу температури рідини на результат вимірювання застосовують компенсаційний конденсатор (рис.7.5 в). Компенсаційний конденсатор 1 розміщується нижче ємнісного чутливого елемента 2 і повністю занурений у рідину. У певних випадках при сталості складу рідини його замінюють конденсатором постійної ємності.

Для вимірювання рівня електропровідних рідин -- рідин з питомою провідністю більше 10^-4 См/м - застосовують рівнеміри, оснащені ємнісним чутливим елементом, зображеним на рис.7.5 б. Чутливий елемент являє собою металевий електрод 1, покритий фторопластовою ізоляцією 2. Електрод частково занурений у рідину. Як другий електрод використовується або стінка резервуара, якщо вона металева, або спеціальний металевий електрод, якщо стінка резервуара виконана з діелектрика.

Перетворення електричної ємності чутливих елементів у сигнал вимірювальної інформації здійснюється мостовим, резонансним або імпульсним методом.

У ємнісних рівнемірах перетворення ємності здійснюється імпульсним методом, у реалізації якого використовуються перехідні процеси, що проходять у чутливому елементі, який вмикається періодично до джерела постійної напруги.

Ємнісні рівнеміри випускаються класів точності 0,5; 1,0; 2,5. Їх мінімальний діапазон вимірювання становить 0-0,4 м, максимальний 0-20 м; тиск робочого середовища 2,5-10 МПа; температура від мінус 60 до плюс 100°С або від 100 до 250°С. На базі розглянутих ємнісних чутливих елементів розроблені вибухобезпечні сигналізатори рівня поділу рідин «нафтопродукт-вода» та інших рідин з різними значеннями відносної діелектричної проникності. При довжині зануреної частини чутливого елемента 0,25 м похибка спрацьовування сигналізатора ±10 мм.

Розроблено ємнісні рівнеміри сипучих середовищ. Верхні межі вимірювання рівнемірів обмежені значеннями 4-20 м. Клас точності 2,5.

Кондуктометричні сигналізатори рівня. Рівнеміри цього виду призначені для сигналізації рівня електропровідних рідких середовищ і сипучих середовищ із питомою провідністю більше 10^-3 См/м. На рис.7.5 г наведена схема сигналізатора верхнього граничного рівня рідини. Відповідно до схеми при досягненні рівнем значення h замикається електричний ланцюг між електродом 1 і корпусом технологічного апарата, при цьому спрацьовує реле 2, контакти якого увімкнені в схему сигналізації.

Принцип дії кондуктометричних сигналізаторів рівня сипучих середовищ аналогічний розглянутому.

Електроди, застосовувані в кондуктометричних сигналізаторах рівня, виготовляють зі сталі спеціальних марок або вугілля. Причому вугільні електроди використовуються тільки при вимірюванні рівня рідких середовищ.

7.7 Акустичні засоби вимірювання рівня

На даний час запропоновані різні принципи побудови акустичних рівнемірів, з яких великого поширення дістав принцип локації.

Відповідно до цього принципу вимірювання рівня здійснюють за часом проходження ультразвуковими коливаннями відстані від випромінювача до межі поділу двох середовищ і зворотно до приймача випромінювання. Локація межі поділу двох середовищ здійснюється або з боку газу, або з боку робочого середовища (рідини або сипучого матеріалу). Рівнеміри, у яких локація межі поділу двох середовищ здійснюється через газ, називають акустичними, а рівнеміри з локацією межі поділу двох середовищ через прошарок робочого середовища -- ультразвуковими.

Перевагою акустичних рівнемірів є незалежність їх показань від фізико-хімічних властивостей і складу робочого середовища. Це дозволяє використовувати їх для вимірювання рівня неоднорідних, таких, що кристалізуються і випадають в осадок рідин. До недоліків необхідно віднести вплив на показання рівнемірів температури, тиску і складу газу.

Як правило, акустичні рівнеміри являють собою поєднання первинного, проміжного, а у певних випадках і передавального вимірювального перетворювача. Тому акустичні рівнеміри слід розглядати як частину вимірювальної системи з акустичними вимірювальними перетворювачами.



На рис.7.6 наведена схема акустичного рівнеміра рідких середовищ. Рівнемір складається з первинного І і проміжного ІІ перетворювачів. Первинний перетворювач являє собою п'єзоелемент, що виконує одночасно функції джерела і приймача ультразвукових коливань. При вимірюванні генератор з певною частотою виробляє електричні імпульси, які перетворюються п'єзоелементом І в ультразвукові імпульси. Останні поширюються уздовж акустичного тракту, відбиваються від межі поділу рідина-газ і приймаються тим самим п'єзоелементом, що перетворює їх в електричні імпульси.

Відстань між первинним і проміжним перетворювачами-- не більше 25 м. Діапазони вимірювання рівня 0-3 м. Клас точності 2,5. Температура контрольованого середовища 10-50°С, тиск у технологічному апараті до 4 МПа.

Акустичні рівнеміри сипучих середовищ за принципом дії і будовою аналогічні акустичним рівнемірам рідких середовищ.

7.8 Радіоізотопні рівнеміри

Для безперервного вимірювання рівня рідин (агресивних, горючих та ін.) без зіткнення з ними можуть бути застосовані радіоізотопні рівнеміри, дія яких базується на пропущенні через резервуари з рідиною г-променів радіоізотопів певних речовин. Якщо об'єкт вимірювання помістити між випромінювачем (радіоізотопом) і приймачем випромінювання (лічильником ядерних часток), розміщеними в одній горизонтальній площині, то в момент проходження через цю площину контрольованого рівня рідини буде відбуватися різка зміна інтенсивності г-променів, які надходять на приймач, внаслідок зміни поглинальної здатності середовища. Ця властивість поглинання випромінювання використовується для синхронного переміщення (спостереження) випромінювача і приймача слідом за рівнем у резервуарі.

Радіоізотопні рівнеміри випускаються з діапазоном показань від 0-10 м. Швидкість спостереження за рівнем, що змінюється, становить 100 мм/хв. Основна абсолютна похибка приладу ±10 мм. Рівнемір живиться від мережі змінного струму напругою 220 В, частотою 50 Гц. Споживана приладом потужність 50 В·А. Відстань, що допускається, між первинним і проміжним перетворювачем 50 м і між проміжним перетворювачем і вторинним приладом 1000 м.

Експлуатація радіоізотопних рівнемірів проводиться у строгій відповідності до інструкції підприємства-виробника і санітарних вимог. Через небезпеку для обслуговуючого персоналу радіаційного опромінення зазначені рівнеміри мають обмежене застосування.

8. АНАЛІЗ СКЛАДУ ГАЗІВ

8.1 Загальні положення

Вимірювання складу газового середовища проводиться в різних галузях промисловості, у наукових дослідженнях, при проведенні енергоаудиту, екологічних моніторингів навколишньої атмосфери та в інших випадках. Можна виділити такі основні напрями газового аналізу:

- визначення теплоти згорання газоподібного палива за відомим складом горючих компонентів газової суміші;

- контроль якості згорання палива за складом продуктів згорання. При повному згоранні палива в продуктах згорання на виході з теплових агрегатів повинні бути тільки негорючі компоненти, такі, як С0₂, Н₂0, N₂ і 0₂. Для правильного ведення процесу горіння палива необхідно підтримувати певне співвідношення між кількостями палива і повітря, які подаються у топковий простір агрегата. При недостатній кількості повітря в продуктах згорання з'являються такі горючі компоненти, як СО, Н₂ та інші. Надлишкова кількість повітря забезпечує повне згорання палива, але вимагає додаткових витрат на нагрівання надлишкового об'єму повітря, що є баластом, який виносить із агрегата невикористане фізичне тепло. Необхідне співвідношення повітря-паливо може бути встановлене на основі газового аналізу;

- контроль складу технологічних газів, до яких відносять такі гази, як кисень, азот, аргон, водень, ендогаз, екзогаз та інші. Вони застосовуються для прискорення процесу виплавлення сталі і чавуну (кисень), при рафінуванні рідкого металу в робочому просторі агрегата або у ковші (аргон, азот), для захисту сталевих виробів від окислювання при нагріванні (ендогаз, аргон) і для інших технологічних процесів. Технологічні гази повинні мати певний склад (або чистоту), що визначає якість технологічних операцій;

- контроль складу повітряної атмосфери для визначення концентрації шкідливих для навколишнього середовища газоподібних речовин, таких, як оксиди (N0, N0₂, S0₂, S0₃, СО₂ і ін.), феноли, бензол, аміак, горючі вибухонебезпечні гази (СО, СН₄ та ін.).

Прилади, призначені для кількісного визначення складу газу, називаються газоаналізаторами. Залежно від призначення вони поділяються на переносні і автоматичні (стаціонарні).

Переносні газоаналізатори застосовуються в лабораторних умовах при виконанні дослідницьких робіт, при проведенні енергетичного аудиту технологічних систем, при випробуваннях і налагодженні різних промислових теплотехнічних установок (плавильних, нагрівальних і термічних печей, парових і водогрійних котлів, сушильних установок та ін.).

Автоматичні (стаціонарні) газоаналізатори призначені для безперервного автоматичного вимірювання вмісту одного або декількох компонентів у газовій суміші. На підставі безперервного контролю газового середовища в робочому просторі промислового агрегата може здійснюватися автоматизоване керування технологічним процесом.

Газоаналізатори залежно від способу визначення концентрації окремих компонентів газової суміші поділяють на такі:

- хімічні (хімічні властивості газових молекул);

- теплові (фізичні властивості газу);

- магнітні (магнітні властивості газу);

- хроматографічні (адсорбційні властивості газових молекул);

- оптичні (здатність поглинати електромагнітні хвилі);

- спектрометричні (спектральні властивості газу);

- ємнісні (діелектрична проникність середовища);

- випарні (ефект випаровування, кипіння і конденсації рідини);

- іонізаційні (іонізаційні властивості аналізованої речовини).

Газоаналізатори звичайно градируються у відсотках за об'ємом. Такий спосіб градуювання шкали газоаналізаторів зручний, тому що процентна складова окремих компонентів у загальному об'ємі залишається незмінною при змінюванні тиску і температури газової суміші.

8.2 Хімічні газоаналізатори

У хімічних газоаналізаторах визначення концентрації окремих компонентів газової суміші виконується методом поглинання цих компонентів хімічними реактивами. За зменшенням початкового мірного об'єму газу визначають склад даного компонента в газовій суміші.

Для багатьох компонентів газу розроблені селективні хімічні реактиви, які поглинають (реагують) тільки аналізований компонент. Непоглинений залишок аналізованого газу надходить у газовимірювальний пристрій, де визначається зменшення об'єму, що відповідає поглиненому компоненту. Цей метод застосовується як у переносних газоаналізаторах ручної дії, так званих приладах Орса, так і в автоматичних.

Найбільшого поширення дістали переносні газоаналізатори для визначення якості спалювання палива під час пусконалагоджувальних робіт теплових агрегатів, які використовують тверде, рідке або газоподібне паливо. При цьому аналізуються три компоненти: СО₂, О₂ і СО. Такі газоаналізатори застосовуються також для контролю і градуювання автоматичних газоаналізаторів на ці самі компоненти.

Схема пристрою газоаналізатора для аналізу одного компонента з газової суміші наведена на рис.8.1. Аналізований газ із об'єкта 1 надходить у газоаналізатор по газовому тракту 2 при відкритому вентилі 4 і закритому вентилі 5. Мірна кількість газу (50 або 100 мл) надходить у вимірювальну бюретку 6 за рахунок розрядження, створюваного опусканням зрівняльної посудини 6. Дистильована вода з посудини 6 перетікає в посудину 7, а аналізований газ цілком заповнює вимірювальну бюретку 6, після чого кран 4 закривається, а кран 5 відкривається. Піднімаючи зрівняльну посудину 7, витісняють аналізований об'єм газу в посудину поглинання 3, заповнену селективним хімічним реактивом, що поглинає тільки один компонент із аналізованої газової суміші. Для збільшення поверхні контакту між аналізованим газом і реактивом поглинальна посудина заповнена скляними трубками. Якщо прокачати аналізований газ кілька разів через реактив, можна домогтися повного поглинання даного компонента. Залишковий об'єм газу повертають у вимірювальну бюретку, що має градуювання в об'ємних відсотках від 0 до 100%. Рівень рідини у вимірювальній бюретці покаже на склад аналізованого компонента в газовій суміші. За необхідності визначити концентрацію інших компонентів, які знаходяться в газовій суміші, використовують кілька поглинальних посудин, заповнених відповідними реактивами, які вибірково поглинають аналізовані компоненти.

Недоліками методу є: неможливість вимірювання малих концентрацій, тому що ціна поділки вимірювальної бюретки становить 0,1 мл; періодичність дії становить 20-30 аналізів на годину; необхідність частої заміни реактивів; неможливість використання в системах автоматичного регулювання.

8.3 Теплові газоаналізатори

У теплових газоаналізаторах для визначення концентрації певного компонента в газовій суміші використовуються його теплові властивості, такі, як теплопровідність (термокондуктометричні), тепловий ефект реакції каталітичного окислювання (термохімічні) та ін.

Термокондуктометричні газоаналізатори дістали найбільшого поширення, робота їх заснована на різкій розбіжності коефіцієнта теплопровідності одного з компонентів у порівнянні з іншими компонентами аналізованої газової суміші. Так, наприклад, теплопровідність таких газів, як Н₂, СО₂, S0₂, СН₄, Не, Аr значно відрізняється від теплопровідності повітря, і якщо в повітряному середовищі є один із цих компонентів, то зміна величини теплопровідності газової суміші буде визначатися зміною складу даного аналізованого компонента.

Аналіз багатокомпонентної газової суміші за її теплопровідністю можна робити за умови, що всі компоненти газової суміші, крім тих, що визначаються, мають приблизно однакову теплопровідність. Якщо в газовій суміші є компоненти, які можуть впливати на теплопровідність суміші і концентрацію яких визначати не потрібно, то ці компоненти з газової суміші повинні бути вилучені перед початком аналізу. Так, наприклад, при вимірюванні концентрації СО₂ у димових газах необхідно видалити такі компоненти, як Н₂ і S0₂, які знаходяться в невеликій кількості, але впливають на загальну теплопровідність.

У теплових газоаналізаторах для визначення концентрації окремих компонентів використовуються мостові схеми, у яких плечима мосту є платинові спіралі, нагріті до температури 100⁰С і поміщені в газові камери. Газоаналізатор складається із чотирьох газових камер, дві з яких R₁ і R₃ є робочими, через які безупинно прокачується аналізований газ (рис.8.2). Дві інші герметичні газові камери R₄ і R₂ є порівняльними, у яких перебуває газ постійного складу. Так, наприклад, у газоаналізаторах, призначених для визначення СО₂ у газовій суміші, порівняльним газом є повітря.

При прокачуванні через протилежні газові камери R₁ і R₃ аналізованого газу, який містить, наприклад, СО₂ і концентрацію якого треба визначити, змінюється теплопровідність газового простору, розміщеного між платиновим проводом і стінкою камери. Зі збільшенням концентрації СО₂ у газовій суміші зменшується теплопровідність газу, погіршується теплообмін, що приводить до збільшення температури платинового проводу в камерах R₁ і R₃. Виниклий розбаланс мосту за величиною напруги між точками «а» і «б» пропорційний величині певної складової в аналізованому газі.

...