ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.03.2020
Просмотров: 2124
Скачиваний: 2
ВВЕДЕНИЕ
С внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленностях возникает необходимость использования более точных приборов. К ним относятся преобразователи плотности.
Преобразователем плотности или плотномером является устройство, преобразующее значение плотности физической среды в механическую или электрическую величину.
Чувствительность определяет минимальное изменение значение измеряемой физической среды, которое регистрирует преобразователь.
Значение этого параметра определяется типом плотномера, его структурой, геометрическими параметрами, типом чувствительного элемента.
В высокоточных технологических процессах чувствительность приборов является важнейшим параметром.
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛОТНОМЕРОВ
Задачей дипломного проектирования является анализ чувствительности весовых и гидростатических преобразователей плотности. Для указанных выше преобразователей плотности необходимо выполнить классификацию, провести патентный поиск, по результатам которого для каждого плотномера выполнить силовой анализ и расчёт чувствительности. Необходимо выполнить расчет векторной энергетики плотномеров. Сделать рекомендации по практическому применению полученных результатов расчёта чувствительности.
Классификация плотномеров представлена на рисунке 1.
По принципу действия гидравлические преобразователи плотности (ГПП) делятся на две большие группы: ГПП непрерывного действия и ГПП дискретного действия.
ГПП дискретного действия.
К этой группе относятся преобразователи выполняющие свои функции непрерывно в протекающем потоке. К гидравлическим преобразователям данной группы относятся следующие приборы.
Весовой преобразователь плотности. Принцип действия весовых преобразователей плотности следующий: масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорциональна плотности, и для измерения последней достаточно непрерывно взвешивать определенный объем жидкости, протекающей по трубопроводу.
Преимущества весовых преобразователей плотности:
-
возможность их применения для различных типов жидкостей;
-
показания приборов не зависят от скорости протекания жидкости;
-
высокая точность (до ±0,5%);
-
регулирование диапазона измерений в широких пределах (от 0,1 до 1 г/см3).
Рисунок 1 – Классификация плотномеров
Принцип действия гидростатического преобразователя плотности основан на зависимости давления Р в жидкости на глубине Н от ее плотности . При неизменной высоте столба жидкости Н давление Р является мерой ее плотности1:
(1)
Гидростатические преобразователи плотности подразделяются на две группы: приборы, непосредственно измеряющие давление столба жидкости, и приборы, измеряющие давление столба жидкости косвенным путем.
Достоинство гидростатических преобразователей плотности состоит в том, что в жидкость не погружаются подвижные части прибора.
Недостаток гидростатических преобразователей плотности: для получения высокой точности измерения (»0,1%) требуется большая высота столба жидкости (≈1 м), что приводит к громоздкости прибора и запаздыванию показаний.
Чтобы исключить влияние колебаний уровня жидкости, применяют дифференциальный метод (измеряется разность давлений ΔР двух столбов жидкости разной высоты:
ΔР = g·h·ρ, (2)
где h – разность высот столбов жидкости, м;
ρ – плотность жидкости, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
В радиоактивных преобразователях измерение плотности жидкости при помощи гамма-лучей возможно по поглощению излучения измеряемой средой. Определяется изменение интенсивности прямого пучка гамма-лучей после прохождения через исследуемую жидкость; радиоактивный источник и приемник излучения располагаются и экранируются так, что прямой пучок гамма-лучей, проходя через стенки трубопровода, рассеивается, и в приемник поступают лишь те гамма-лучи, которые претерпели рассеяние в жидкости; прямой пучок лучей улавливается свинцовым экраном.
Поглощение гамма-излучения веществом выражается зависимостью 1:
(3)
где J0 – начальная интенсивность пуска гамма-лучей;
J – интенсивность гамма-излучения, прошедшего через слой измеряемой среды толщиной d и плотностью ρ;
η - массовый коэффициент поглощения гамма-лучей;
е - основание натурального логарифма.
Существенным недостатком радиоактивных преобразователей плотности является зависимость показаний от природы жидкости, что требует индивидуальной градуировки прибора для определенной жидкости.
Акустические преобразователи плотности относятся к приборам, обеспечивающим бесконтактные измерения плотности любых жидкостей. Действие акустических преобразователей основано на том, что удельное акустическое сопротивление пропорционально плотности среды. Применяя, пьезоэлектрический преобразователь, акустически контактирующий с измеряемой средой и возбуждаемый на резонансной частоте, получают выходной сигнал напряжения, являющийся функцией акустического сопротивления, следовательно, и мерой плотности. Диапазон измерений от 0,5 до 2 г/см3 с погрешностью 1% 1.
ГПП непрерывного действия.
Приборы этой группы выполняют функции преобразования в течении короткого промежутка времени. К гидравлическим преобразователям этой группы относят следующие приборы.
Принцип действия ареометрических преобразователей плотности основан на законе Архимеда. Ареометрические плотномеры подразделяются на плотномеры с плавающим поплавком, представляющим собой ареометр постоянного веса, и плотномеры с погружным поплавком, который является ареометром постоянного давления.
Параметры прибора и его элементов определяют исходя из того, чтобы поплавок находился в устойчивом вертикальном положении, скорость потока жидкости была оптимальной, а осевое давление потока на поплавок было минимальным. Имеется много разновидностей конструкций плотномеров с плавающим поплавком, отличающиеся типом (механические, электрические, пневматические) и устройством (индуктивные, потенциометрические и т.д.) преобразователей для дистанционной передачи показаний. Основным недостатком плотномеров с плавающим поплавком является громоздкость конструкции из-за значительной высоты. Плотномеры с плавающим поплавком имеют погрешность показаний от ±0,2 до 2%.
Основным недостатком плотномеров с плавающем поплавком являются их громоздкость, зависимость показаний от капиллярных свойств жидкости и скорости потока, необходимость применения открытого корпуса прибора.
В ареометрических плотномерах с погруженным поплавком измеряется действующая на поплавок выталкивающая сила F (или пропорциональное ей перемещение поплавка), которая связана с искомой плотностью жидкости зависимостью 4 2:
(4)
где М – масса поплавка за вычетом массы воздуха в его объеме, кг;
L – длина окружности, м;
S – площадь поперечного сечения стержня поплавка, м2;
V – объем поплавка (без стержня), м3;
a – капиллярная постоянная жидкости, м2;
ρ – плотность воздуха, кг/м3.
Параметры прибора и его элементов определяют исходя из того, чтобы поплавок находился в устойчивом вертикальном положении, скорость потока жидкости была оптимальной, а осевое давление потока на поплавок было минимальным. Имеется много разновидностей конструкций плотномеров с плавающим поплавком, отличающиеся типом (механические, электрические, пневматические) и устройством (индуктивные, потенциометрические и т.д.) преобразователей для дистанционной передачи показаний. Основным недостатком плотномеров с плавающим поплавком является громоздкость конструкции из-за значительной высоты. Плотномеры с плавающим поплавком имеют погрешность показаний от ±0,2 до 2%.
В ареометрических плотномерах с погруженным поплавком измеряется действующая на поплавок выталкивающая сила F (или пропорциональное ей перемещение поплавка), которая связана с искомой плотностью жидкости зависимостью 5 3:
, (5)
где V – объем поплавка, м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Пределы измерений прибора изменяют сменой поплавка и цепочек. Высокая чувствительность прибора позволяет использовать его для малых диапазонов измерений (0,005 г/см3 и более).
К преимуществам ареометрического плотномера с погруженным поплавком относятся то, что:
-
исключено влияние капиллярных свойств жидкости;
-
возможность получить высокую чувствительность;
-
легкость измерения плотности жидкости в потоке.
Недостаток – сравнительно узкий диапазон измерения, погрешность возникающая вследствие динамическое воздействие потока жидкости на поплавок
Вибрационные преобразователи плотности обладают высокой точностью (при плотности порядка 1 г/см3, погрешность измерения составляет ±0,1%) и не реагирует на изменение вязкости измеряемой среды. Но его можно применять только при чистых жидкостях, не дающих отложений на чувствительном элементе прибора.
Чувствительными элементами вибрационных датчиков плотности служат трубки, цилиндры или пластины, закрепленные в неподвижных основаниях и приводимые в автоколебательный режим движения системой возбуждения. Большое распространение получили трубчатые резонаторы, внутри которых протекает контролируемая среда.
2 СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ВЕСОВЫХ И ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПЛОТНОМЕРОВ
По результатам патентного поиска проведём силовой анализ плотномеров.
2.1 Датчик ДПВ - ЭТК- 113
При контроле химико-технологических процессов, связанных с производством нефтяных масел и различных нефтепродуктов используют весовые плотномеры, чувствительным элементом которых служит U образная трубка.
На рисунке 2 приведена принципиальная схема весового плотномера с U-образной трубкой и электрическим преобразователем.
U - образную трубку заполняет жидкость при рабочей температуре. В процессе измерения определяется температура жидкости и вводится поправка к сигналу плотномера. Для этого в устройстве плотномера введена система температурной компенсации, основными элементами которой являются термобаллоны, основной и дополнительный сельсины.
Термобаллоны, соединённые между собой капиллярами, так же соединенные с основным сильфоном образуют газовый манометрический термометр. Один из термобаллонов омывается контролируемой жидкостью на входе датчика, другой на выходе. Внутренний объем манометрической системы заполнен азотом под избыточным давлением 4,9·105 Па. Изменение давления газа в системе манометрического газового термометра пропорциональны изменениям температуры контролируемой жидкости. С увеличением температуры плотность уменьшается, одновременно усилие, развиваемое основным сильфоном передается подвижной части системы (U-образной трубке) и изменяют условие ее равновесия.
Абсолютная величина усилия, которое развивает основной сильфон, определяется начальным давлением газа в манометрической системе, температурой окружающего воздуха и барометрическим давлением. Абсолютное давление газа в термометрической системе, Па
1 – петлеобразная труба; 2 – ленточная опора; 3 – рычажный механизм для уравновешивания подвижной системы датчика; 4 – опора на подшипниках качения; 5 – индикатор рассогласования; 6 – опорная призма; 7 – опора; 8 – рычаг; 9 – гидравлический демпфер.
Рисунок 2 – принципиальная схема весового плотномера с U-образной трубкой и электрическим преобразователем
, (6)
где Р0 – абсолютное давление газа в термостатической системе при температуре, 0 С;
V1 – объем газа в термобаллонах, м3;
V2 – объем газа в капиллярах и в основном сильфоне, м3;
Т1 – абсолютная температура в термобаллонах (температура контролируемой жидкости), С;
Т2 – абсолютная температура газа в капиллярах и в основном сильфоне (температура окружающей среды), С;
Усилие F1(Н), развиваемое основным сильфоном пропорционально разности между внутренним и наружным давлением.
, (7)
где S1эф – эффективная площадь основного сильфона, м2;
Ра – барометрическое давление, Н/м2.
При изменении температуры окружающей среды Т2 на величину Т2 и барометрического давления на величину Р2 усилие основного сильфона изменяется на величину F1.
Изменение усилия F1 компенсируется дополнительным сильфоном, который имеет одинаковую с основным сильфоном характеристику.
Дополнительный сильфон заполнен азотом под некоторым давлением Рк, и запаян. Если абсолютная величина давления азота в дополнительном сильфоне при температуре 0 С: