Выбор технических средств измерения параметров установки низкотемпературной очистки газа

 

Для сигнализации уровня был  выбран датчик OPTISWITCH 5100C (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - массовый расходомер OPTISWITCH 5100C

OPTISWITCH – сигнализатор  уровня, в котором в качестве  чувствительного элемента используется  вибрирующая вилка.

Он разработан для применения во всех областях промышленности, главным  образомдля сигнализации уровня жидкостей.

Вибрирующая вилка (камертон) приводится в действие пьезоэлектрическим генератором и вибрирует с  частотой механического резонанса. Конструкция пьезоэлектрической системы  обеспечивает устойчивость чувствительного  элемента к тепловым воздействиям.

При погружении чувствительного  элемента в рабочую среду, происходит изменение частоты колебаний. Встроенный блок электроники воспринимает это  изменение и преобразует его  в команду переключения.

Типичное применение OPTISWITCH - защита от переполнения или сухого пуска. Благодаря простой и прочной  измерительной системе, работа OPTISWITCH практическине зависит от химических или физических свойств жидкостей.

Он работает даже при сильных  внешних вибрациях или изменении  продукта.

Технические характеристики приведены в таблице 2.9. [9]

 

 

Таблица 2.9 – Технические характеристики OPTISWITCH 5100C

Характеристика	Значение
Диапазон измерения, м	0-6
Маx допустимое рабочее давление, бар	64
Выходной сигнал	дискретный (релейный выход)
Точность, мм	2
Класс защиты	IP65
Температура окружающей среды, °C	-40 до +70 °C

 

Для измерения уровня был  выбран датчик уровня  OPTIWAVE 7300C (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - массовый расходомер OPTIWAVE 7300C

OPTIWAVE 7300C предназначен для преобразования измеренного уровня продукта или уровня границы раздела двух фаз. Датчик способен работать в расширенном диапазоне частот. Это обеспечивает более высокое разрешение и точность. Улучшенные динамические характеристики сигнала, излучаемого OPTIWAVE, позволяют ему обнаруживать малейшие изменения уровня измеряемого продукта.

Мешалки и другие объекты (балки, впускные патрубки, лестницы) ослабляют  полезный сигнал. Улучшенные характеристики сигнала легче поддаются анализу, а полученные результаты отличаются более высокой точностью и  повторяемостью.

Технические характеристики приведены в таблице 2.10.[10]

Таблица 2.10 – Технические характеристики OPTIWAVE 7300C

Характеристика	Значение
Диапазон измерения, м	до 80
Предельно допускаемое рабочее избыточное давление, бар	100
Погрешность измерений, мм	±3
Напряжение питания	— Выход 1: общепромышленное исполнение и исполнение "EEx i": 14…30 В постоянного тока при токе 22 мА на клеммах прибора  — Выход 1: исполнение "EEx d": 20…36 В постоянного тока при  токе 22 мА на клеммах прибора — Выход 2, все виды исполнений: 10…30 В постоянного тока при токе 22 мА на клеммах прибора. Для второго выхода нужен отдельный источник питания.
Выходной сигнал	— 4 ÷ 20 мА HART или 3,8 ÷ 20,5 мА в соответствии с NAMUR 43
Класс защиты	— IP 66/67 в соответствии с NEMA 4X (корпус) и NEMA 6Р (антенна)

 

3. Измерение расхода жидкости на узле учёта

1. Основные  теоретические положения

Современные тенденции в развитии систем сбора, обработки информации и управления всё более внедряются в такие  области измерений, каким является коммерческий учёт нефти и нефтепродуктов (УУН). Схема автоматизации узла учёта  нефти (УУН) приведена на рисунке  3.1.

 

Рисунок 3.1 - Схема автоматизации УУН

Большое число  проектируемых узлов учёта нефти  базируются на принципах и оборудовании, заложенных еще в 70-е годы (турбинные). В настоящее время всё более используются автоматизированные узлы учёта нефти нового поколения, отвечающие мировым тенденциям в области автоматизации.

В  соответствии с действующими нормативным документами  для товарно-коммерческих расчётов приёмно-даточные операции осуществляются в единицах массы[ГОСТ Р 8.615-2005].

Ранее применяемые  расходомеры на коммерческом УУН  использовали объёмный принцип измерения  расхода, т.е. метод измерения массового  расхода является косвенным, что  приводит к использованию дополнительных средств измерения, вследствие чего возникают дополнительные погрешности.

Возрастающие  требования к качеству измерения  расхода на узлах коммерческого  учёта вызывает необходимость замены ряда устаревших приборов на более  современные.

Существует  несколько методов измерения  массы продуктов - прямые и косвенные. Структурная схема измерения  массы продуктов приведены на рисунке_3.2.

Рисунок 3.2 - Структурная схема измерения массы продуктов

При применении прямых методов измеряют массу продуктов  с помощью весов, массовых счётчиков  и массовых расходомеров.

При применении объёмно-массового метода измеряют объём ( ) и плотность продукта ( ) при одинаковых условиях, затем определяют массу продукта:

(3.1)

При изменении  гидростатического метода измеряют гидростатическое давление столба продукта, определяют площадь заполнения ёмкости.

К современным  системам измерения коммерческого  расхода на УУН относят массовые (кориолисовые) расходомеры, которые осуществляют прямое измерение массового расхода.

Первые кориолисовые расходомеры были сконструированы в 1970-х годах.

Принцип действия заключается в том, что когда  трубки совершают колебательные  движения, в системе возникает  дополнительная сила инерции – сила Кориолиса. И под действием этой силы трубки начинают изгибаться. Их изгиб  фиксируется датчиками(детекторами  скорости).

Рисунок 3.3 - Строение кориолисова раходомера

Кориолисовый  расходомер с колеблющимся участком трубопровода, состоит из сенсора  и электронного преобразователя  сигнала (датчика). Сенсор имеет одну или две измерительные трубки (обычно U-образные), концы которых  закреплены неподвижно (рисунок 3.3). Под воздействием электромагнита, расположенного в центре трубки, и контура обратной связи трубка совершает колебания с собственной резонансной частотой (амплитуда около 1мм, частота около 80 циклов в секунду). Благодаря этому жидкость, протекающая по трубке, приобретает вертикальную составляющую движения. Во время первой половины цикла при движении трубки вверх жидкость, протекающая через первую половину трубки, сопротивляется движению вверх и оказывает давление на трубку сверху вниз. Жидкость, движущаяся во второй (выходной) половине трубки, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, оказывая давление на трубку снизу вверх. Это приводит к закручиванию трубки. Во время второй половины цикла колебания, когда трубка движется вниз, она закручивается в противоположную сторону.

 

Рисунок 3.4 - Действие сил на сенсорные трубки

Цифрами на рисунке  3.4 обозначены: 1 - движения потока, 2 - вертикальная сила, 3 - ускорение Кориолиса, 4 - реактивная сила, 5 - направление колебания.

Результирующие  силы Кориолиса, действующие на жидкость в двух ветвях противоположны по направлению  и приводят ветви к смещению. Форма  результирующих сил Кориолиса имеет  вид:

,

(3.2)

где:   - сила Кориолиса; - движущаяся масса; - угловая скорость; - линейная скорость во вращающейся или колеблющейся системе.

Когда направление  угловой скорости меняется, эти силы также меняют направление и ветви  смещаются в противоположную  сторону. Величина этих смещений пропорциональна массовому расходу жидкости через трубу. Смещения регистрируются при помощи электромагнитных детекторов скорости. Их выходной сигнал представляет собой импульс, длительность которого пропорциональна для жидкостей, так и для газов, выдавая измерение расхода с высокой точностью ( для жидкостей и для газов). Кориолисовые расходомеры не чувствительны к изменениям температуры и давления.

Уравнение для  определения массового расхода  имеет вид:

,

(3.3)

где:   - Массовый расход; - амплитуда колебаний трубок при действии силы Кориолиса; - амплитуда вынужденных колебаний; - фаза; - постоянная прибора при ; - частота вынужденных колебаний.

Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы  с детекторов находятся в одной  фазе (рисунок 3.5, а)

а)        б)

Рисунок 3.5 - Измерение расход с помощью детекторов

При прохождении  через сенсор измеряемой массы в  результате эффекта Кориолиса электромагнитные детекторы скорости измеряют фазовый  сдвиг (рисунок 3.5, б).  Разница во времени между сигналами измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу .

,

(3.4)

Чем больше , тем больше массовый расход.

Рисунок 3.6 - Сигналы детекторов сенсора

Детекторы преобразуют  этот сигнал в аналоговый или в  частотно-импульсный выходной сигнал.

2. Измерение плотности

С помощью  кориолисовых расходомеров можно получить сигнал, позволяющий измерить плотность  жидкости.

Задающая  катушка (рисунок 3.7) питается  от преобразователя, при этом сенсорные трубки колеблются с их собственной частотой.

Рисунок 3.7 - Сборка магнитов и катушек

При прохождении через  сенсор измеряемой среды масса трубок увеличивается, собственная частота  колебаний трубок уменьшается.

При уменьшении расхода масса  трубки уменьшается, и их собственная  частота колебаний увеличивается. Так как масса измеряемой среды  равна произведению плотности  и внутреннего объёма , а объём трубок является постоянным, то частота колебания трубок будет зависеть от плотности среды.

Частота колебаний измеряется выходным детектором в циклах в секунду (Гц). Как известно, период колебаний  обратно пропорционален частоте. Измерение  времени цикла проще, чем измерение  количестве циклов, поэтому детекторы  вычисляют плотность измеряемой среды по периоду колебаний трубок в микросекундах (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Измерение периода колебаний

Таким образом, плотность протекающей жидкости будет прямо пропорциональная периоду  колебаний сенсорных трубок.

Плотность сенсора определяется по формуле:

,

(3.5)

где: - плотность; - калибровочная постоянная для плотности; - частота вынуждающей силы при пустых трубках и температуре ; - частота вынуждающей силы при заполненных трубках и температуре .

3. Модельный ряд расходомеров различных фирм

В настоящее время кориолисовые расходомеры изготавливаются и поставляются рядом зарубежных фирм: YOKOGAWA, Micro Motion (Rosemount), KROHNE, Proline, Метран(EMERSON), SIEMENS и др.

В таблице 3.1 представлены технические характеристики некоторых кориолисовых расходомеров.

 

 

 

Таблица 3.1 Технические характеристики расходомеров

ТИП	Модель	Измеряемые среды	Д, мм	Массовый расход жидкости, кг/ч	Давление среды, МПа	Температу-ра среды, ͦ С	Класс точности	Выходной сигнал
Micro Motion (Emerson Process Management, США)	Датчик ELITE (CMF)	Жидкость, суспензия, газ	3…300	108 … 3 265 870	15	-240 … 350	0,1	4-20 мА, HART, RS 485, PRofibus
	RCCS	Жидкость, газ, многофазные среды…	1,2-55,1	0,023… 300000	22	-200 … 350	0,1(для жидк.) 0,5(для газа)	4-20 мА, Импульсный, HART
Rotamass	OPTIMASS 2000 (узлы коммерческого учета)	Жидкость, газ	100…250	до    2 300 000	до 15	- 45 … 130	0,1(для жидк.) 0,5(для газа)	4-20 мА, Импульсный, HART, PRofibus