Тепловые контактные преобразователи уровня повышенной точности на тонких теплопроводах для низкокипящих сред Юсим, Валерий Михайлович

Рис.В.5 Гидростатические преобразователи уровня

со о

_{=.-_- ЦШК?}

»=

_{L------=-tat=?—7}

преобразователем

связью

ным преобразователем

а) поплавковый о индуктивным б) поплавковый с магнитной в) буйковый с унифициров

Рис.В.6 Механические преобразователи уровня

- 21 -тающих под давлением, требует герметизации подвижного вывода, либо перехода на магнитную связь с внешними устройствами. При низких температурах очень часто механическая часть обмерзает, что приводит к полной потере информации об уровне ЖИД-кости в сосудах. Использование таких преобразователей на транспортных сосудах вызывает повышенные требования к качеству механических подвижных частей. Поэтому, несмотря на значительную простоту подобных устройств, их применение резко сократилось как в СССР, так и за рубежом /109/.

Б.2.3. Кондуктометрические датчики .(рис.В.7). , использующие различие в электропроводности жидкости и газа, вряд ли могут найти широкое применение для преобразования уровня сжиженных газов, так как такие жидкости являются идеальными изоляторами и их проводимость мало отличается от проводимости находящегося над ними газа /118/. Поэтому их применение ограничено сигнализаторами предельных уровней в неответственных условиях эксплуатации, где значительная погрешность сигнализации не может привести к аварийным ситуациям.

В.2.4. Акустические и ультразвуковые датчики уровня (рис.В.8) , использующие зависимость времени прохождения звуковых колебаний от толщины слоя и скорости распространения звука в средах различной плотности, являются достаточно точными приборами. Их исследованию и разработке уделено много внимания /16,20,74,78,79,139,147/. Имеется много конкретных решений в конструировании датчиков, как у нас в стране /130/, так и за рубежом /12/.

Однако ультразвуковые преобразователи имеют ряд недостатков, определяемых зависимостью их показаний от свойств контролируемой жидкости, что приводит к необходимости установки

^{р^}

-о»Н

^

⁴⁵ _ft

_*l$l

+R

"Д.

і

*

_І-&x

а) уровнемер б) оигнализатор о электродами

Рио.В.7 Кондуктометрячеокяе преобразователи уровня

а) акустический

ИЛ- и&лучатш-приемник ше даний

преобразователь ~^:Г^Р

х- Время юомхдет

tio/іЄйаШ

Г/Т- нмдотоа-зераЗс/3«

б) ультразвуковой

Рис.В.8 Акувтичеокяе я ультразвуковые преобразователи уровня

- 23 -реперних датчиков, значительно усложняющих конструкцию. Для насыщенных жидкостей, которыми являются сжиженные газы, скорость распространения звука в газе и жидкости отличаются не более чем в 1,5 т 2 раза /119/, что ограничивает чувствительность таких датчиков. Насыщенность сжиженных газов своим паром приводит к значительным погрешностям в преобразовании уровня. Сложность и высокая стоимость вторичной аппаратуры ограничивает применение акустических датчиков емкостями больших размеров, а чувствительность пьезоэлектрических преобразователей к механическим воздействиям практически исключает их использование на транспортных сосудах.

8.2.5. Радиоактивные датчики уровня (рис.В.9)/ исследова
ны достаточно полно /20,74,78,82,110,115,147/ и широко приме
няются в производствах, требующих бесконтактного измерения.
Однако их эксплуатация, требующая эффективной защиты обслужи
вающего персонала от радиоактивных излучений и соответствующе
го оборудования помещений, в которых расположены датчики, а
также необходимость реализации преобразователей непрерывного
действия и высокая стоимость аппаратуры ограничивают их приме
нение стационарными установками, на которых требуется осущест
вить сигнализацию достижения предельных уровней с помощью

Y- реле. Кроме того, применение радиоактивных преобразователей рекомендуется там и тогда, где измерение другими способами значительно затруднено или невозможно /НО/.

8.2.6. В основу преобразования уровня жидкости емкостным
методом положено отличие в значениях диэлектрической проницае
мости жидкости и газа, наполняющих датчик, представляющий собой
электрический конденсатор (рис.В.10) . Пожалуй, из всех приме
няемых в настоящее время датчиков уровня, емкостные привлекли

приємних **> П

ИИИ- измерите/ь интенсив-пости из/і(/<. чения

РА- офрсибный дшате/ft

«а

чщц&тйль vfi/И

з) с вертикальным излучением б) со следящей системой (СС) Рис.В.9 Радиоактивные преобразователя уровня

_c„

изолирующее покрытие

_=M

_№

а) для неэлектропроводных сред

б) для электропроводных сред

Рис.В.10 Ошэстные преобразователи уровня

- 26 -наибольшее внимание, о чем свидетельствует значительное количество работ, в которых проведены их исследования /14,20,23, 38,39,54,61,67,73,74,78,87,89,101,140,147/. Однако, несмотря на все разнообразие существующих приборов, емкостные преобразователи уровня обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение для сжиженных газов и особенно в условиях работы транспортных сосудов. Так, по данным /119/ диэлектрические постоянные сниженных и газообразных низкотемпературных (низкокипящих) сред отличаются незначительно, не более чем в 1,5 т 2 раза, что обуславливает небольшую чувствительность метода в данном конкретном случае. Так как при изменении уровня жидкости меняется комплексная проводимость датчика, а не только его емкость, то для компенсации утечки в первичном преобразователе необходимо значительно усложнить схему устройства как конструктивно, так и в измерительной части. Существенную погрешность в измерение емкости датчика вносит соединительная линия, связывающая его со вторичными устройствами, что ограничивает их зону действия и требует приближения этих устройств к датчикам, т.е. к условиям, неблагоприятно действующим на электронную часть. Для работы преобразователей уровня, особенно резонансных, требуется генератор переменного тока высокой частоты, требования к стабильности которого достаточно высоки. Измерительные схемы емкостных датчиков сложны, так как при наличии реактивных элементов в них балансировка схем требует регулировки по трем параметрам - индуктивности, емкости и омическому сопротивлению. Повышение чувствительности емкостных преобразователей уровня достигается уменьшением зазоров в конденсаторных элементах датчиков /20/ и увеличения количества этих элементов до нескольких десятков /107/. При

- 27 -этом проявляются силы поверхностного натяжения, которые у сжиженных газов достаточно высоки /119/, обуславливающие появление дополнительной погрешности в преобразовании уровня. Кроме этого, значительное влияние оказывает точность изготовления и сборки датчика и стабильность его геометрических размеров в процессе эксплуатации, что достаточно сложно обеспечить в условиях применения их в транспортных установках.

В.2.7. В последнее время разработаны перспективные радиоволновые методы преобразования уровня различных сред /14,20, 28,123/. Создана серия сигнализаторов уровня, входящих в ГСП и основанных на использовании резонансных свойств отрезков длинных линий. Однако эти приборы требуют высокой квалификации обслуживающего персонала, что пока сдерживает их широкое внедрение.

Из приведенного обзора видно, что существующие датчики, основанные на наиболее распространенных методах преобразования уровня различных жидкостей, не могут обеспечить получение первичной информации об уровне таких специфических сред, какими являются низкокипящие жидкости и сжиженные газы.

Патентный поиск, проведенный на глубину 20 лет по основным странам, - СССР, США, ФРГ, Япония, Великобритания, Франция, ГДР, ЧССР, Бельгия не выявил специально предназначенного датчика для непрерывного преобразования уровня сжиженных газов в изотермических и в особенности транспортных сосудах /104/.

Тем не менее анализ изобретений и патентов показал, что в этих условиях существенными достоинствами обладают тепловые преобразователи уровня, имеющие высокую чувствительность и надежность.

В последние годы значительное внимание уделено разработке

- 28 -теплообменных(тепловых) преобразователей различных физических величин, которые являются достаточно простыми по конструкции, экономически выгодными в эксплуатации.

Оригинальные квнструкции тепловых преобразователей разработаны и исследованы в СССР Д.И.Агейк~"мм /5/, В.С.Поповым /97/, Д.В.Беляевым /70/, Р.К.Азимовым /7,9/ и др. За рубежом ряд конструкций разработали

^{AMhmU .}

0 важности и актуальности вопросов исследования и разработки подобных первичных преобразователей(ПП) свидетельствует то, что за последние годы были проведены три всесоюзных сиы-позиума в(Ташкенте и Уфе) , в решениях которых /8,124/, а также в многочисленных исследованиях /7-9,55,64,70,71,97,116, 124/ было указано на перспективность применения ПП с тепловыми параметрами для преобразования различных физических величин.

Разработаны даже системы управления технологическими процессами, основанные на первичных тепловых преобразователях. Например, в /91/ приведен⁰ схема автоматизации выпарной установки.производства целлюлозы (рис.В.II) , где первичная информация о расходах ряяличных потоков и концентрациях продукта в аппаратах поступает от многочисленных тепловых преобразователей.

Вопросы теории и расчета отдельных конструкций преобразователей с тепловыми параметрами (ПТП) изложены в /5,Я5,64, 70,71,116,124,ІЯ5,149/. Наибольшее место в этих исследованиях занимают преобоазователи расхода и влажности, а также вопросы классификации ПТП. В соответствии с /7/ ПТП являются преобразователями параметрического типа, в которых энергия измеряемой среды, взаимодействуя с вспомогательной энергией источника

Упаренный щелок

to ф

Ряс.В.ІІ Функциональная схема АСУ ТП выпарной установки в производстве целлюлозы

о использованием многоцелевых тепловых преобразователей

I - выпарной аппарат; П - кипятильник; Ш / насоо щелока;

1,8 - тепловой преобразователь уровня; 2,9 - регулятор уровня щелока в выпарном аппарате; о,10- многоцелевой тепловой преобразователь расхода и концентрации щелока; 4,11- обегающий регистратор расхода щелока; 5,12- регулятор концентрации щелока; 6,13- контроль давления в выпарном аппарате; 7,14- контроль температуры в выпарном аппарате; 15-регулятор температуры греющей среды; 16-регулятор давления греющей среды

- зо -

теплового поля, изменяет тепловое состояние ІІІІ. Это изменение преобразуется с помощью термочувствительных элементов (ТЧЭ) в соответствующий выходной сигнал.

Исходя из этого, функциональная схема такого преобразователя может быть представлена в виде, показанном на рис.В.12.

Расчет преобразователя с тепловыми параметрами сводится к определению распределения температур и теплового потока вдоль теплопровода при различном распределении вспомогательных источников теплового поля и изменяющихся условий теплообмена теплопровода со средой, зависящих от преобразуемого параметра (физической величины.). В основу расчета положены классические уравнения теплопередачи - законы Ньютона и Фурье /7,77,84/.

Основными направлениями исследований тепловых преобразователей является получение их статических характеристик с учетом перетоков тепла как вдоль теплопровода так и в радикальном направлении, что становится все более актуальным в связи с увеличением толщины стенки трубчатого теплопровода, работающего в условиях высоких давлений. Из этих работ можно указать /7, 64,70,71,116,135/, в которых рассмотрены вышеуказанные задачи для случаев преобразования расходов газов, жидких, металлов, вязких жидкостей и пр. Аналогичные задачи решаются и для преобразователей влажности сыпучих материалов /10,55/.

Во всех рассмотренных случаях в качестве вспомогательного источника теплового поля применяется электрический нагреватель, что обуславливает положительную разность температур теплопровода и среды, при высоких температурах которой источник должен обладать достаточно высокой мощностью.

Основные рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователей расхода и влажности основываются не столько

- ЗІ -

-a

_{I'M lit?}

мя«*М»ашвммяаміаь<аіммМі^

Л⁴ V^х У⁴ у⁴. V

Рис.В.12 Функциональная схема ПТП

яГ ^Т?2?Жіл,² ~ ^тЖ^ючУвствительный элемента ТО j а%^ ^ S52S2 ^; ~ энергия контролируемой поля * $ " ^экеР^гия вспомогательного источника теплового

Г ТеллоВые hpeoSpazoBamesH/ уроВнр

_1%

Дискртние (сигнализатору)

Непрерывные (уровнемеры)

Т_

/cuff

Термоэиектричес-

УЄ&УЄ.

Термохромати-

Тьрмомакометри-

_{рг$иегпс/Вныз}

_г

_Hi

_{Точечные}

^{Трубчатые}

^{Стержнеійе}

Проволочный

_I

_Й*

Прямого, пааогре&а

КосВениоіо подогрет

Куто чную срвоу

С теплообменом ЧЭ через />р0М&

СнепооревщВвн-нымтплоо^ме-

Рис.Be ІЗ Классификация тепловых преобразователей уровня

- 32 -на аналитической оптимизации конструкции, сколько на большом числе экспериментальных данных /7-9/, что, на наш взгляд, является одним из существенных недостатков применяемых методов проектирования ДТП, при которых возможны случайные решения.

Тепловые преобразователи занимают особое место среди других типов датчиков уровня /8,14,20,66,73,74,94,151/ и по различным данным /104,143,144/ их наиболее эффективное использование возможно для получения первичной информации об уровне низкокипящих жидкостей.

Несмотря на очевидные достоинства тепловых датчиков уровня, которые заключаются в отсутствии подвижных механических частей, что обеспечивает их высокую надежность ; возможности питания их от источника постоянного тока, вследствие отсутствия реактивных составляющих сопротивления ; достаточно высокой чувствительности, обусловленной значительным отличием теплопроводности и коэффициентов теплоотдачи в газовой и жидкой фазах (примерно в 10 раз)' /84,104,118,119,144/, они еще недостаточно исследованы и поэтому практически отсутствуют разработанные конструкции и методика их проектирования и градуировки, пригодные для практического применения.

В последние годы интерес к различным теплообменным преобразователям уровня значительно повысился как в CGGP, так и за рубежом. Так, по данным /115/ динамика выдачи патентов по основным странам .(включая СССР) по типам датчиков уровня с 1963 г. по 1972 г.показывает рост числа тепловых датчиков от 3 патентов, выданных в 1963 г., до 24 в 1972 г., т.е.увеличение в 8 раз. Наибольшее внимание тепловым преобразователям уровня уделяется в США,ФРГ, Франции. Причем тепловые датчики за эти годы занимают первое место по количеству выданных патентов после поплавко-

- 33 -вых и емкостных.

Большинство из разработанных типов тепловых преобразователей уровня можно свести в классификационную таблицу, представленную на рис.В.13.

В США тепловые датчики уровня выпускаются серийно с I960 г. /73/. Основные принципы построения приборов с использованием термисторов изложены в работах сотрудников фирмы "Мюл-лард" (США) /148,150/, которая разработала тепловые сигнализаторы уровня сжиженного газа в сосуде дьюара. За рубежом некоторые фирмы, из которых можно указать FafnLr (?т) ,\M>od Jeffrey, Ltd. (Великобритания) , Franklin System Jk^qm.) ,0hnart

СогрОГйіІОП (США)специализируются на выпуске серийном только тепловых преобразователей уровня /14/.

В СССР до настоящего воемени серийным выпуском датчиков уровня, использующих тепловые методы, не занимается ни одттн завод Минприбора, хотя имеются изобретения в этой области и потребность в подобного типа преобразователях, особенно для низкотемпературных сред.

Принципиальные схемы некоторых типов тепловых преобразователей уровня приведены на рис.В.14.

Наибольшее число работ посвящено применению тепловых преобразователей для целей сигнализации с использованием в основном термисторов /5,20,66,73,74,152/ или угольных резисторов, расположенных над поверхностью раздела фаз /43,53/, причем точность сигнализации может в некоторых случаях достигать - I мм.

Для преобразования уровня жидкостей, находящихся при криогенных температурах, широко применяются резистивные преобразователи, представляющие собой проволоку из сверхпроводящего

а) с термистором

I) Дискретные

б) термоэлектрический

т— — -=г=г

_{< Чгі :-r-}

і — LT-— -

ві тврмоманометричеокий г)рвзистивный с косвенным д) проволочный о прямым подогревом

подогревом

2) Непрерывные Рис.В,14 Тепловые преобразователи уровня

подогревом и теплообменом ЧЭ через проме-

«уточную среду

- 35 -сплава, вертикально расположенную в контролируемой емкости /42,108/. Одним из существенных недостатков таких датчиков является невозможность для некоторых из сплавов перехода в сверхпроводящее состояние при давлениях, превышающих атмосферное /36/.

В некоторых случаях, когда инерционность первичного преобразователя не играет существенной роли, применяются термоманометрические датчики /7ДІ/. Основным их недостатком являются значительные габариты, вызывающие существенное запаздывание в показаниях, а, следовательно, значительную динамическую погрешность. Для уменьшения этой погрешности необходимо увеличивать мощность вспомогательного подогрева, что становится неэкономичным и приводит к значительному притоку тепла, что для низкотемпературных сред является недопустимым.

Во многих случаях отсутствие устройства для получения непрерывной информации об уровне сжиженных газов заставляет конструировать преобразователи, состоящие из набора термоэлектрических термометров, расположения по высоте сосуда с некоторым шагом, определяющим точность преобразования /65,125/, что нельзя признать достаточно удачным решением из-за сложности конструкции и малой ее надежности.

Наибольший интерес, с точки зрения получения непрерывной информации об уровне,представляют первичные преобразователи, выполненные в виде вытянутых по высоте термочувствительных элементов .(выделены на рис.В.13). Из таких датчиков можно указать терморезистивные преобразователи уровня с разделенными нагревателем и чувствительным элементом /111,151/ и совмещенными нагревателем и термочувствительными элементами /24,144/. Первый вид преобразователей отличается тем, что в процесс

теплообмена вовлекается значительная масса материала (окружающей среды и различных конструктивных элементов самого преобразователя). Это приводит к увеличению инерционности и динамической погрешности и вызывает необходимость расходования большого количества вспомогательной энергии на подогрев преобразователя, что снижает метрологические свойства датчика и ухудшает его экономические показатели.

Второй вид преобразователей выполнен обычно на основе тонких теплопроводов и обладает существенными преимуществами перед всеми вышерассмотренными - как в части экономичности, так и в части метрологических показателей. Так, для питания тонкой проволоки достаточно небольшой мощности вспомогательного источника теплового поля, что обеспечивает высокую экономичность преобразователя и относительно небольшие тепловые потоки, вносимые в среду. Малая масса теплопровода, участвующая в процессе теплообмена, определяет высокое быстродействие, а значит, и малую динамическую погрешность датчика. Практическое отсутствие перетоков тепла вдоль и радиально по чувствительному элементу приводит к высокой чувствительности преобразователя и большой крутизне его статистической характеристики. Известно также, что металлические подогреваемые сопротивления обладают высокой стабильностью, малой тепловой инерцией и хорошей воспроизводимостью характеристик, что способствует их широкому применению во всевозможных первичных преобразовательных устройствах /84,92,97/.

Все эти преимущества обусловили широкое применение преобразователей уровня в виде тонких проволок в лабораторных условиях и в научных исследованиях /7,92/. Однако до настоящего времени практически отсутствуют исследования по свойствам по-

добных преобразователей, источникам их инструментальных и методических погрешностей, путям улучшения этих характеристик, обеспечивающих требования систем управления технологическими процессами. Вопросы выбора конструктивных и режимных параметров решаются до сих пор чисто интуитивно, либо на основе экспериментальных исследований каждой конкретной конструкции, требующих больших затрат времени, что снижает эффективность разработок и внедрения датчиков рассматриваемого класса.

Выполненный анализ различных технологических процессов в некоторых отраслях промышленности показал, что эффективность СУ этими процессами и безопасность их эксплуатации во многом определяется качеством регулирования уровня в различных аппаратах, емкостях, хранилищах. Особенно это относится к технологическим процессагл, в которых используются низкотемпературные жидкости, находящиеся в изотермических сосудах и транспортных цистернах при давлении,изменяющемся в достаточно широких пределах.

Проведенный анализ различных методов и устройств для преобразования уровня, выпускаемых промышленностью,выявил, что во многих случаях они не удовлетворяют требованиям СУ" ТП, использующими такие специфические среды как низкотемпературные жидкости, по основным эксплуатационным характеристикам - точности преобразования в широком диапазоне рабочих условий.

Эти выводы подтверждают, что сформулированная проблема -повышение точности и расширение пределов преобразования датчиков уровня в широком диапазоне рабочих условий стационарных и транспортных изотермических сосудов для низкотемпературных

- 38 -сред и сжиженных газов - действительно имеет место.

В.З. Общая характеристика работы

Работа выполнена в области совершенствования и создания новых элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение точности и расширение пределов преобразования датчика уровня низкокипящих сред в широком диапазоне рабочих условий.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

выявить метод преобразования уровня, обладающий наилучшими свойствами по требованиям СУ технологическими процессами, использующими низкотемпературные жидкости и сжиженные газы ;

определить векторы параметров и неинформативных воздействий теплового преобразователя уровня .(ТПУ) и их влияние на его статические и динамические свойства ;

создать методику оптимизации конструкции и режима работы (ТПУ),минимизирующую его инструментальную погрешность ;

разработать структурную схему теплового датчика уровня (ТДУ) низкотемпературных сред, позволяющую расширить диапазон рабочих условий его функционирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в создании на основе разработанной математической модели статики и динамики принципов синтеза теплового преобразователя уровня .(ТПУ) ; установлении зависимостей степени линейности статической характеристики и величины основное погрешности преобразования от режимных и конструктивных параметров ТПУ ; создании способа компенсации дополнительной погрешности преобразования уровня , его мате-

матической модели и алгоритма расчета параметров компенсирующих устройств с оценкой их эффективности.

ПРАКТЖЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в разработке теплового датчика уровня .('ТДУ) ожженного углекислого газа для стационарных и транспортных изотермических цистерн, включающего систему коррекции дополнительной погрешности и обеспечивающего погрешность преобразования но более 2,5% во всем диапазоне рабочих условий его функционирования ; определении основных источников и составляющих погрешности ТДУ ; разработке методики лабораторной градуировки и поверки датчика ; создании пакета прикладных программ для инженерного решения задачи оптимизации и расчета основных его режимных, конструктивных и энергетических характеристик.

Разработанный ТДУ внедрен на транспортных изотермических сосудах НПО "Кислородмаш". Экономический эффект составляет 1,9 тыс.руб. на один сосуд типа ПДУ-2м(плановый выпуск 200 сосудов в год) к достигается за счет увеличения степени заполнения на 3-4$ и экономии топлива при транспортировке газа потребителям.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и отдельные разделы диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных отчетных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Одесского политехнического института (г.Одесса, 39-я - 1977 г., 41-я - 1979 г., 42-я - 1980 г., 46-я - 1984 г.) ; республиканском научном семинаре "Кибернетика и автоматическое управление" научного совета АН УССР по проблеме "Кибернетика" .(г.Одесса, 1982 и 1983 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в числе которых одно авторское свидетельство.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, общих выводов и приложения. Основное содержание изложено на 148 страницах машинописного текста.

Рисунков 59 . Таблиц II . Библиография содержит 152 наименований. Общий объем работы составляет 266' страниц.

В.4. Выносимые на защиту положения

Автор защищает следующие научные положения:

тепловой метод преобразования уровня низкокипящих сред и сжиженных газов, повышающий эффективность СУ процессами заполнения, транспортировки, хранения и опоролшения изотермических стационарных сосудов и транспортных цистерн ;

степень и характер влияния температурного напора между теплопроводом преобразователя и жидкой фазой контролируемой среды и вектора параметров ТДУ на линейность статистической характеристики и его основную погрешность ;

методику синтеза теплового преобразователя уровня ;

способ компенсации влияния внешних факторов на статическую характеристику теплового преобразователя уровня.

Исследование статических свойств чувствительного элемента

Однако, несмотря на все разнообразие существующих приборов, емкостные преобразователи уровня обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение для сжиженных газов и особенно в условиях работы транспортных сосудов. Так, по данным /119/ диэлектрические постоянные сниженных и газообразных низкотемпературных (низкокипящих) сред отличаются незначительно, не более чем в 1,5 т 2 раза, что обуславливает небольшую чувствительность метода в данном конкретном случае. Так как при изменении уровня жидкости меняется комплексная проводимость датчика, а не только его емкость, то для компенсации утечки в первичном преобразователе необходимо значительно усложнить схему устройства как конструктивно, так и в измерительной части. Существенную погрешность в измерение емкости датчика вносит соединительная линия, связывающая его со вторичными устройствами, что ограничивает их зону действия и требует приближения этих устройств к датчикам, т.е. к условиям, неблагоприятно действующим на электронную часть. Для работы преобразователей уровня, особенно резонансных, требуется генератор переменного тока высокой частоты, требования к стабильности которого достаточно высоки. Измерительные схемы емкостных датчиков сложны, так как при наличии реактивных элементов в них балансировка схем требует регулировки по трем параметрам - индуктивности, емкости и омическому сопротивлению. Повышение чувствительности емкостных преобразователей уровня достигается уменьшением зазоров в конденсаторных элементах датчиков /20/ и увеличения количества этих элементов до нескольких десятков /107/. При этом проявляются силы поверхностного натяжения, которые у сжиженных газов достаточно высоки /119/, обуславливающие появление дополнительной погрешности в преобразовании уровня. Кроме этого, значительное влияние оказывает точность изготовления и сборки датчика и стабильность его геометрических размеров в процессе эксплуатации, что достаточно сложно обеспечить в условиях применения их в транспортных установках.

В.2.7. В последнее время разработаны перспективные радиоволновые методы преобразования уровня различных сред /14,20, 28,123/. Создана серия сигнализаторов уровня, входящих в ГСП и основанных на использовании резонансных свойств отрезков длинных линий. Однако эти приборы требуют высокой квалификации обслуживающего персонала, что пока сдерживает их широкое внедрение.

Из приведенного обзора видно, что существующие датчики, основанные на наиболее распространенных методах преобразования уровня различных жидкостей, не могут обеспечить получение первичной информации об уровне таких специфических сред, какими являются низкокипящие жидкости и сжиженные газы.

Патентный поиск, проведенный на глубину 20 лет по основным странам, - СССР, США, ФРГ, Япония, Великобритания, Франция, ГДР, ЧССР, Бельгия не выявил специально предназначенного датчика для непрерывного преобразования уровня сжиженных газов в изотермических и в особенности транспортных сосудах /104/.

Тем не менее анализ изобретений и патентов показал, что в этих условиях существенными достоинствами обладают тепловые преобразователи уровня, имеющие высокую чувствительность и надежность.

В последние годы значительное внимание уделено разработке теплообменных(тепловых) преобразователей различных физических величин, которые являются достаточно простыми по конструкции, экономически выгодными в эксплуатации. важности и актуальности вопросов исследования и разработки подобных первичных преобразователей(ПП) свидетельствует то, что за последние годы были проведены три всесоюзных сиы-позиума в(Ташкенте и Уфе) , в решениях которых /8,124/, а также в многочисленных исследованиях /7-9,55,64,70,71,97,116, 124/ было указано на перспективность применения ПП с тепловыми параметрами для преобразования различных физических величин.

Разработаны даже системы управления технологическими процессами, основанные на первичных тепловых преобразователях. Например, в /91/ приведен0 схема автоматизации выпарной установки.производства целлюлозы (рис.В.II) , где первичная информация о расходах ряяличных потоков и концентрациях продукта в аппаратах поступает от многочисленных тепловых преобразователей.

Вопросы теории и расчета отдельных конструкций преобразователей с тепловыми параметрами (ПТП) изложены в /5,Я5,64, 70,71,116,124,ІЯ5,149/. Наибольшее место в этих исследованиях занимают преобоазователи расхода и влажности, а также вопросы классификации ПТП. В соответствии с /7/ ПТП являются преобразователями параметрического типа, в которых энергия измеряемой среды, взаимодействуя с вспомогательной энергией источника теплового поля, изменяет тепловое состояние ІІІІ. Это изменение преобразуется с помощью термочувствительных элементов (ТЧЭ) в соответствующий выходной сигнал.

Исходя из этого, функциональная схема такого преобразователя может быть представлена в виде, показанном на рис.В.12.

Расчет преобразователя с тепловыми параметрами сводится к определению распределения температур и теплового потока вдоль теплопровода при различном распределении вспомогательных источников теплового поля и изменяющихся условий теплообмена теплопровода со средой, зависящих от преобразуемого параметра (физической величины.). В основу расчета положены классические уравнения теплопередачи - законы Ньютона и Фурье /7,77,84/.

Основными направлениями исследований тепловых преобразователей является получение их статических характеристик с учетом перетоков тепла как вдоль теплопровода так и в радикальном направлении, что становится все более актуальным в связи с увеличением толщины стенки трубчатого теплопровода, работающего в условиях высоких давлений. Из этих работ можно указать /7, 64,70,71,116,135/, в которых рассмотрены вышеуказанные задачи для случаев преобразования расходов газов, жидких, металлов, вязких жидкостей и пр. Аналогичные задачи решаются и для преобразователей влажности сыпучих материалов /10,55/.

Влияние параметров и неинформативных воздействий на функцию преобразования ЧЭ

Выбор номинальных значений параметров CL и неинформативных воздействий Хи определяет конструкцию, режим работы чувствительного элемента а, следовательно, и его свойства.

При выбранных конструктивных параметрах ЧЭ, таких как диаметр а , материал с известным удельнш сопротивлением ft .ч температурным коэффициентом сопротивления У , для контролируемых сред с температурами газовой "9"г и жидкой о йаз требуется, прежде всего, определить номинальные значения величин, входящих в уравнение (I.I6) . Эти базовые или номинальные значения определяются выбранными или заданными уеловиями теплообмена, т.е. температурными напорами дГх и дг В зависимости от теплофизических свойств контролируемых сред и температурных напоров теплообмен ЧЭ, нагреваемого проходящим по нему электрическим током, со средой может происходить либо за счет исключительно теплопроводности, либо за счет теплоотдачи. Выбор того или иного режима теплообмена выбирается исходя из конкретных условий. Так, например, для низкотемпературных сред, находящихся в изотермических сосудах, где подвод тепла должен быть ограничен, тепловые потоїш, вносимые ЧЭ в среду, должны быть незначительны, что определяет и необходимость создания малых температурных напоров.

В общем случае исследование статических свойств чувствительного элемента теплового преобразователя уровня заключается в определении зависимости вида и характера функции преоб-разования (І.І6) и чувствительности Оц (І.І9), от входящих в них параметров при различных режимах работы ЧЭ. Это исследование определяется блок-схемой рис.1.5-, где показана последовательность расчета требуемых характеристик с помощью ЭЦВМ.

Результатом расчета базового (номинального.) режима являются значения напряжения питания U- , обеспечивающее протекание требуемого тока і через чувствительный элемент, который создает заданный температурный напор Диг? сопротивление постоянного резистора л- , которое на этапе исследования принимается равным сопротивлению ЧЭ при уровне в сосуде, принятом за нулевой, и мощность W_ , затрачиваемая на нагрев ЧЭ.

Полученные при расчете базового режима комплексы Ож Ог и пр., напряжение [/- и сопротивление Л» совместно с заданными или принятыми конструктивными параметрами ЧЭ являются исходными данными для расчета его номинальной статической характеристики в соответствии с (I.I6) и номинальной чувствительности по (I.I9) .

Блок-схемы расчетов базового режима и статической характеристики приведены в приложении І (рис.П.1.1) и (рис.П.1.2). Расчет проведен для случая преобразования уровня сжиженной углекислоты в изотермических сосудах диаметром 1,2 м /104,132/ в диапазоне рабочих давлений Р = 0,8 2,0 Ма при диаметрах чувствительного элемента = 0,1 т 1,3мми температурных напорах между ЧЭ и жидкой фазой контролируемой среды ДІж = I -: 4К. Материал чувствительного элемента -хромель, копель и алюмель со свойствами по ГОСТ 1790-77 и ГОСТ 4784-74 /34/. В связи с тем, что сжиженный газ находится в изотермическом сосуде в термодинамическом равновесии со своей жидкостью /3,27,30,36,37,51,119/ их температуры одинаковы, т.е. &г $ж » а соответственно комплексы К$г и К#ж также равны. Если, кроме того, принять сопротивление Я_ Яч0, принятое і за начало отсчета при нулевом уровне в сосуде, то выражение статической характеристики (І.І6) значительно упрощается. Отсюда очевидно преимущество в использовании теплового датчика для контроля уровня насыщенных сред, которыми, в частности, являются сжиженные газы. Результаты расчета теплофизических свойств сжиженного углекислого газа на линии насыщения в соответствии с зависимоетями, рекомендованными Варгафтиком Н.Б. /25/, Вукаловичем М.її. и Алтуниным В.В. /ІЗ/, Майковым И.П. /118,119/ и другими авторами /22,106/ и уточненными при выполнении работ /93,104/, приведены в приложении 2 в рабочем диапазоне давления Р = 0,8 2,0 МПа дяя промышленных изотермических сосудов /132/. Параметры базовых режимов,при указанных выше условиях, сведены в таблицу в приложении 3. Анализ данных табл.П.3 позволяет сделать вывод о том, что с точки зрения энергетических затрат, выгоднее выбирать минимальный диаметр чувствительного элемента (рис.1.6а) . Так, для обеспечения одного и того же температурного режима дж= I К для ЧЭ диаметром о = 0,1 мм необходимая электрическая мощность 1,577 Вт, а при диаметре О - 1,3 мм она составляет 5,237 Вт за счет значительного роста тока источника питания. В то же время при увеличении диаметра резко падает начальное сопротивление ЧЭ, что затрудняет подгонку постоянного резистора Л- с необходимой точностью и последующие измерения информативного параметра преобразователя. Увеличение температурного напора с д = I К до ДЦ = 4 К обеспечивается за счет увеличения подводимой мощности примерно в 5-6 раз в зависимости от диаметра чувствительного элемента (рис.1.66) .

Математическая модель метода компенсации и полная структурная схема теплового датчика уровня

По конструктивным параметрам поиск осуществляется из условия минимизации функций влияния по этим внутренним дестабилизирующим факторам. По режимным и эксплуатационным влияющим величинам ищутся такие их значения, которые обеспечивают максимальные функции влияния, если не предусматривается стабилизация этих величин или введение компенсирующих воздействий по ним. Тем самым можно быть уверенным, что отклонение режима и условий эксплуатации ЧЭ от номинальных не ухудшает его характеристики. При стабилизации влияющих воздействий или использовании компенсирующих устройств по ним следует искать такие значения, при которых минимизируются частные чувствительности и по этим воздействиям.

Результаты расчетов параметров и режимов работы ЧЭ теплового преобразователя уровня с использованием предложенной методики оптимизации представлены в таблице 3.1. Расчеты выполнены для теплопровода, изготовленного из материала хромель со свойствами по /34/, предназначенного для применения в изотермических сосудах с сжиженным углекислым газом.

Исследования проведены для каждого из диаметров в пределах от ОД мм до 1,3 мм в диапазонах изменения температурных напоров ДІЖ- (1+4)К и состояний контролируемой среды от 0,74 МПа до 2,10 МПа.

Полученные показатели свидетельствуют о том, что оптимизация режима работы и параметров ЧЭ позволяет в значительной степени повысить качество теплового преобразователя уровня как в части его инструментальной погрешности, так и в экономичности. Расчеты показывают (табл.З.І), что инструментальная погрешность оптимизируемого ЧЭ в рассматриваемой области не может быть сделана меньше 0.02$. При этом, даже наибольшее значение 1ии/, найденное из условия ее минимизации, почти вдвое меньше, чем минимальная инструментальная погрешность, полученная из условия ее максимизации. Максимальная же основная погрешность преобразователя может достигать в области допустимых режимов более 2%, что, конечно, недопустимо.

Наименьшая погрешность достигается при наибольшем возможном температурном напоре и наибольшем давлении контролируемой среды. Затрачиваемая мощность на нагрев чувствительного элемента, обеспечивающая минимизацию его инструментальной погрешности составляет не более 6 Вт и не на много больше, чем мощность, потребляемая ЧЭ при его максимальной ошибке.

Вопросы надежности для ЧЭ теплового преобразователя уровня должны решаться из условий конкретного его применения. Наиболее остро эта проблема возникает при использовании датчика на сосудах, работающих под давлением, необходимость замены в которых вышедшего из строя ЧЭ требует разгерметизации сосуда.

Особенно это относится к сосудам с сжиженными газами, которые после разгерметизации требуют длительной осушки и подготовки их к дальнейшей эксплуатации. Поэтому показатели надежности ЧЭ теплового преобразователя уровня при применении его на подобных сосудах должны обеспечить безотказную работу датчика на периоде между плановыми мероприятиями по обслуживанию и ремонту сосудов в соответствии с техническими условиями и ГОСТами на них /105,132/.

Выполненные исследования эффективности разработанной методики оптимизации параметров и режимов работы чувствительного элемента теплового преобразователя уровня позволяют заключить : -оптимизация позволяет снизить инструментальную погрешность ЧЭ больше, чем в 100 раз ; - оптимизация инструментальной погрешности достигается в основном за счет выбора режима работы преобразователя ; - в рассматриваемой области допустимых значений параметров и условий работы инструментальная погрешность ЧЭ преобразователя уровня сжиженного COg не может быть сделана меньше 0,02$. Таким образом, созданная на основе анализа источников погрешностей теплового датчика уровня и исследований влияния параметров и режимов функционирования его чувствительного элемента на точность преобразования методика оптимиза- . ции дает возможность выбора условий эксплуатации преобразователя, минимизирующих его инструментальную погрешность.

Экспериментальная проверка некоторых характеристик ДУСГ-Т на полупромышленной установке

Для хранения и транспортировки сжиженного углекислого газа НПО "Кислородмаш" выпускает изотермические транспортные цистерны типа ЦЖУ и стационарные накопители типа НЖУ различной вместимости от 2 т до 12 т. Эти сосуды снабжаются поплавковым преобразователем уровня с магнитной связью типа УПМ, недостатки которого - малый диапазон преобразования от 18$ до 82$ ; наличие ряда градуировочных характеристик для каждого из состояний контролируемой среды ; низкая надежность из-за обмерзания подвижных частей, находящихся при низкой температуре среды ; невозможность формирования сигнальной информации, необходимой для использования в системах управления и защиты при эксплуатации сосудов - сдерживают развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами производства, наполнения, хранения и опорожнения изотермических сосудов и снижают эффективность транспортирования из-за низкого коэффициента использования транспортных цистерн.

В связи с этим на кафедре автоматизации теплоэнергетических процессов ОПИ автором разработан тепловой датчик уровня сжиженного углекислого таза ДУСГ-Т, применение которого для изотермических сосудов, выпускаемых НПО "Кислородмаш", позволяет во многом устранить имеющиеся недостатки в автоматизации указанных ттпоцессов и повысить эффективность использования транспортных цистерн.

Проектирование датчика уровня сжиженного углекислого газа для системы управления процессами заполнения и опорожнения изотермических сосудов проведена на основании технических требований и условий эксплуатации с учетом свойств контролируемой среды и возможностью установки датчика на транспортной цистерне (Приложение 4) .

Конструирование проводилось путрщ создания пробного экземпляра, с учетом результатов испытания которого была предложена окончательная конструкция опытно-промышленного образца, обеспечивающая повышение виброустойчивости, надежности элементов электрической схемы первичного преобразователя, степени унификации деталей и уменьшение оттоков тепла через узлы крепления чувствительных элементов. Датчик уровня состоит (рис4.1) из двух основных функ циональных частей - первичного преобразователя ПП с чувствитель ными элементами систем коррекции , устанав ливаемого на изотермическом сосуде, и электронного блока ЭБ, соединенного с первичным преобразователем кабелем и содер жащего источник стабилизированного питания ИПС, нормирующий усилитель НУ, вычислительные устройства систем коррекции ВУСКА «узел сигнализации УС и оперативные устройства контроля и настройки ОУКН . В датчике предусмотрено, получение для СУ аналоговой информации о текущем значении преобразуемого уровня, дискретной сигнальной информации о достижении преобразуемой величиной соответствующих уставок и визуальной информации с помощью показывающего прибора и сигнальных ламп состояния его функционирования. Компоновочный чертеж первичного преобразователя приведен на рис.4.2, а внешний вид преобразователя в сборе и его отдельных элементов и узлов показаны соответственно на рис.4.3 и рис.4.4. Два рабочих чувствительных элемента I расположены параллельно друг другу и вертикально по всей высоте сосуда. Постоянные резисторы выполнены из манганиновой проволоки в виде верхней 2 и нижней 3 катушек с принудительным шагом на крестообразных элементах 4 и 5, что обеспечивает всестороннее омывание их контролируемой средой, улучшает их температурный режим и повышает надежность. Натяжение чувствительных элементов обеспечивается с помощью подпружиненных пальцев 6. Все части измерительной схемы преобразователя закреплены на латунной трубке 7, оба конца которой оканчиваются коаксиальными разъемами 8 и 9, а внутри нее проложен электропроводный изолированный стержень или проволока 10. В нижней и верхней частях преобразователя размещены чувствительные элементы II и 12 системы коррекции. Переходник 13 выполнен из текстолита и служит для обеспечения герметичного вывода электрических цепей измерительной схемы, находящихся в сосуде под давлением, через латунные шпильки 14 к контактам штепсельного разъема 15, расположенного снаружи сосуда и служащего для соединения с помощью кабеля с электронным блоком. Первичный преобразователь располагается внутри перфорированной тонкостенной медной трубы 16, защищающей чувствительные элементы от повреждений, гасящей возможные колебания жидкости и обеспечивающей свободный доступ среды к чувствительным элементам. Кожух 16 соединен со стальным фланцем 17, служащим для закрепления преобразователя на сосуде. Конструкция первичного преобразователя защищена авторским свидетельством /144/ и имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, в данном устройстве мостовая измерительная схема полностью размещена в контролируемом сосуде, что позволило исключить влияние изменения температуры внешней среды -атмосферы на точность преобразования. Во-вторых, предложенная компоновка первичного преобразователя позволяет использовать в противоположных плечах моста два рабочих чувствительных элемента и тем самым вдвое увеличить его чувствительность. В-третьих, диапазон преобразования Ls Пмсис Пмии практически может быть любым, так как определяется расстоянием между постоянными резисторами и зависит от длины латунной трубки, на которой собирается преобразователь.

Похожие диссертации на Тепловые контактные преобразователи уровня повышенной точности на тонких теплопроводах для низкокипящих сред

Измерительные преобразователи концентрации компонентов жидких дисперсных сред для систем управления технологическими процессами и экологического мониторингаФетисов Владимир Станиславович

Прецизионный волоконно-оптический преобразователь для измерения концентрации и определения состава жидких средКоробков, Вадим Владимирович

Многоканальный дискретный преобразователь уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибамиЖеглов Максим Александрович

Математическое моделирование магнитострикционных преобразователей уровня жидких сред накладного типа для герметизированного оборудованияМокроусов Дмитрий Анатольевич

Разработка диэлькометрических измерительных преобразователей для систем экологического мониторинга пресноводных средМишков Михаил Юрьевич

Информационно-измерительная система с акустооптическим преобразователем для анализа и контроля водной средыИльясов Ильнур Рустамович

Моделирование бездемпферных магнитострикционных преобразователей уровня на крутильных волнахПчелинцева, Ольга Николаевна

Высокоскоростные операционные усилители с токовой обратной связью и высоким уровнем динамической точностиСавченко, Евгений Матвеевич

Разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давленияСадковская Ирина Владимировна

Методы и устройства повышения точности информационно-измерительных систем уровня жидких продуктовЕршов, Михаил Николаевич