Размещено на http://allbest.ru

Оглавление

Введение

Раздел 1. Основные теоретические сведения

1.1 Общие свойства измерителей уровня

1.2 Основные методы непрерывного измерения уровня

Раздел 2. Реальные устройства и их применение

2.1 Продукция фирмы Pepperl+Fuchs GmbH

2.2 Общие технические данные датчиков серии Barcon

2.3 Ультразвуковые датчики серии LUC4

2.4 Ультразвуковые датчики серии LUC-T

Раздел 3. Сравнение реальных датчиков

3.1 Гидростатические зонды для измерения уровня LGC

3.2 Ультразвуковые датчики серии LUC4

3.3 Датчик LTC серии Pulscon

3.4 Датчики серии LUC-T

Заключение

Список литературы

Введение

Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связано с измерением уровня.

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами во многих отраслях промышленности. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения. Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

Данная тема актуальна, так как современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

Целью данной курсовой работы является анализ существующих датчиков непрерывного измерения уровня, их достоинств и недостатков.

Раздел 1. Основные теоретические сведения

1.1 Общие свойства измерителей уровня

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами в химическом, нефтехимическом и нефтеперерабатывающем производствах, в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов, в системах экологического мониторинга и во многих других отраслях. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.

Уровнемер - это прибор для промышленного измерения или контроля уровня жидкости и сыпучих веществ в резервуарах, хранилищах, технологических аппаратах и т.п. Уровнемеры так же называют датчиками уровня, преобразователями уровня.

Уровнемеры позволяют автоматизировать управление и контроль в технологических процессах; т.е. снизить влияние человеческого фактора, что позволяет, с одной стороны, повысить качество продукции и оптимизировать расход сырья, а, с другой, снизить требования к квалификации и опыту персонала.

В первую очередь уровнемеры подразделяются по продукту (веществу), уровень которого измеряется. Бывают:

- датчики уровня для жидкостей (вода, растворы, суспензии, нефтепродукты, масла и т.п.);

- датчики уровня для сыпучих веществ (порошки, гранулы и т.п.).

Существует широкая номенклатура средств контроля и измерения уровня, использующих различные физические методы: гидростатический, ультразвуковой, направленное электромагнитное излучение, (радарный, с использованием магнитных погружных зондов), микроволновый и радиоволновый метод.

При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д.

Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический), наличие мешалки, огнеопасность, взрывоопасность и другие.

Устройства для измерения уровня жидкостей можно подразделить на следующие:

- гидростатические, основанные на измерении гидростатического

давления столба жидкости;

- электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости;

- ультразвуковые, основанные на принципе отражения от поверхности звуковых волн;

- радарные и волноводные, основанные на принципе отражения от поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ);

Помимо классификации уровнемеров по принципу действия, эти

приборы делятся на:

- приборы для непрерывного слежения за уровнем;

- приборы для сигнализации о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня).

1.2 Основные методы непрерывного измерения уровня

Приборы для непрерывного контроля уровня жидких и сыпучих материалов создаются с применением различных физических принципов и методов измерения (табл. 1).

Таблица 1. Возможности применения различных методов измерения уровня

Метод	Непрерывное измерение уровня
	жидкости	сыпучие материалы
Гидростатический	Да	Нет
Ультразвуковой	Да	Да
Направленное электромагнитное излучение (радарный, микроволновый и радиоволновый методы)	Да	Да
С использованием магнитных погружных зондов	Да	Нет

Фирма Pepperl+Fuchs предлагает широкую номенклатуру измерительных устройств и соответствующих средств сопряжения.

Предлагаются уровнемеры с унифицированными выходными токовыми сигналами 4…20мА, с двухпроводными цифровыми коммуникационными промышленными интерфейсами, такими как HART, PROFIBUSPA и Foundation Fieldbus, их модификации для установки во взрывоопасных зонах класса 0, а также законченные решения на базе измерительных приборов, контроллеров, средств сопряжения с устройством управления и дополни тельного оборудования (табл.2).

Таблица 2. Средства для сопряжения датчиков уровня*

Датчики уровня	Устройства управления/средства сопряжения/ дополнительное оборудование	Взрывозащищенное исполнение
тип/серия	обозначение	выход	обозначение	назначение
Vibracon	LVL1-M1/M2	NAMUR	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
	LVL1-MC2	NAMUR	KFA6-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Кондуктометрический зонд	LKL-M	NAMUR	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Магнитный погружной зонд	LML	Магнитный переключатель («сухой» контакт)	KFD2-SR2-EX1.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Поплавковый выключатель	LFL-N	NAMUR	KFA6-SR2-EX2.W	Барьер безопасности с трансформаторной гальванической развязкой	Да
Barcon	LHC-M	4…20 мА	KFD2-CR-1300	Источник питания	Нет
	PPC-M	4…20 мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
Ультразвуковой датчик	LUC-M	4…20 мА	KFD2-CRG-1.D	Источник питания	Нет
Pulscon	LTC	4…20 мА	KFD2-CRG-EX1.D	Источник питания, контроль двух предельных значений уровня	Да
		4…20 мА	DA5-IU-2K-C	Источник питания, контроль двух предельных значений уровня	Нет
		4…20 мА/HART	KFD2-STC4-1.20	Источник питания	Нет
		4…20 мА/HART	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
		PROFIBUS-PA	KFD2-BR-EX1.3PA93	Сегментный соединитель	Да
		PROFIBUS-PA	KFD2-BR-1.PA93	Сегментный соединитель	Нет
		Foundation Fieldbus	KLD2-PR-EX1-IEC	Источник питания FISCO+Entity**	Да
		Foundation Fieldbus	KLD2-PR-EX1-IEC1	Источник питания FISCO**	Да
		Foundation Fieldbus	KLD-PR-1.IEC	Источник питания	Нет
Гидростатический зонд	LGC	Термопреобразователь сопротивления Pt100	KFD2-UT-1	Преобразователь	Нет
		Термопреобразователь сопротивления Pt100/4…20мА	KFD2-CR-1300	Источник питания	Нет
		Термопреобразователь сопротивления Pt100	KFD2-UT-EX1	Преобразователь	Да
		Термопреобразователь сопротивления Pt100/4…20мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
Магнитный погружной зод	LMC	4…20 мА	KFD2-STC4-EX1	Источник питания	Да
		Потенциометрический	KFD2-PT2-EX1	Источник питания	Да

* В таблицу сведены данные об уровнемерах непрерывного действия и о сигнализаторах уровня

** FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, отчёт PTB W53) и Entity -- две концепции, основанные на разных подходах к взрывозащищённым промышленным шинам. Их основное различие лежит в области кабельной электропроводки.

Согласно Entity индуктивность и емкость электрического кабеля, а следовательно, и электрическая и магнитная энергия сосредоточены на отдельных участках цепи (американская модель). Концепция FISCO рассматривает электрическую цепь (электропроводку) как цепь с распределёнными параметрами индуктивности и ёмкости. По концепции Entity при оценке искробезопасности цепи должны учитываться параметры кабеля, поэтому соответствующие вычисления являются достаточно сложными. Причём, максимум только шесть устройств может быть подключено к промышленной сети, и если сегмент промышленной сети должен быть дополнен ещё одним устройством, то необходимо снова выполнять оценку искр безопасности.

По концепции FISCO необходимо просто сертифицировать отдельные устройства, подключаемые к промышленной сети. В сертификате на ретранслятор энергии (power repeater) однозначно определяются параметры электропроводки и полевых приборов, которые могут быть подключены, исходя из требований обеспечения безопасности соединения. Более подробно эти концепции описаны в 1таблице.

Гидростатический метод измерения уровня

Данный метод измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического давления на дно резервуара (p) зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором (h) и от плотности жидкости (с): p=сgh, соответственно h=p/сg, где g=9,81 м/c2 (это справедливо только для неподвижных жидкостей). Пьезорезистивный тензодатчик (или ёмкостный керамический измерительный преобразователь, который не заполнен усредняющим давление веществом) связан с измеряемой жидкостью через изолирующую мембрану из нержавеющей стали и вещество, усредняющее давление. Выходной сигнал тензодатчика преобразуется формирователем в сигнал, соответствующий уровню жидкости. Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Основные достоинства гидростатического метода:

+ точность;

+ применим для загрязнённых жидкостей;

+ реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;

+ соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом обслуживании.

Недостатки:

- движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости -- следствие закона Бернулли);

- атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

- изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

Методы определения уровня по времени прохождения сигнала

Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала, используют принцип эхолота и подразделяются на две основные группы: ультразвуковые (УЗК) и методы направленного электромагнитного излучения. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды. В табл. 5 приведены значения времени прохождения ультразвуковым сигналом и электромагнитной волной некоторых расстояний в воздушной среде при нормальных условиях (двойное расстояние уже учтено); эти данные помогают учесть инерционность УЗК метода в некоторых применениях.

Таблица 5. Время прохождения различных расстояний ультразвуковым сигналом и электромагнитной волной

Расстояние, м	Время прохождения
	Ультразвуковой сигнал	Электромагнитная волна
0,1	0,6 мс	0,7 нс
0,2	1,2 мс	1,3 нс
0,5	3 мс	3,3 нс
1	6 мс	6,6 нс
2	12 мс	13,3 нс
5	30 мс	33,3 нс
10	60 мс	66,6 нс

Ультразвуковые датчики уровня

В простейшем и наиболее распространённом случае, когда УЗК датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды (в общем случае необходимо вносить поправку, учитывающую разность между реальной высотой установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рис. 7).

Рис. 7. Принцип реализации ультразвукового метода определения уровня

h = h_tot - 1/2v_st

Здесь v_s-- скорость распространения ультразвукового сигнала в данной среде.

Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный УЗКметодом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения (табл. 6).

Таблица 6. Зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний в воздухе от Температуры

Температура, °C	20	0	20	40	60	80
Скорость, м/c	319,3	331,6	343,8	335,3	366,5	337,5

Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от процентного содержания CO₂ и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2% .

Основные достоинства УЗК метода:

+ бесконтактный;

+ применим для загрязнённых жидкостей;

+ реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;

+ независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

- большое расхождение конуса излучения;

- отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут вызвать ошибки измерения;

- применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

- на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

Датчики Pulscon, реализующие метод направленного электромагнитного излучения

Датчики недавно предложенной серии Pulscon работают на основе измерения коэффициента отражения методом совмещения прямого и отражённого испытательных сигналов (time domain reflectometry) и определения времени прохождения излученного импульса до поверхности контролируемой среды (временного сдвига отражённого сигнала -- рис. 11).

Рис. 11. Принципы измерения методом направленного электромагнитного излучения



Модификации Pulscon со стержневым зондом и коаксиальным тросом

Повторяющиеся импульсы наносекундного диапазона длительностей излучаются с интервалом 1 мкс. Принцип измерения напоминает ультразвуковой метод определения уровня. Только в системе с направленным электромагнитным излучением импульсы распространяются не равномерно в пределах границ диаграммы направленности, а локализованы вдоль стержня или троса датчика, играющего роль волновода. Данный метод базируется на новейших технологиях и дополняет собой список контактных методов измерения.

Из- за чрезвычайно низкой мощности и направленности излучения импульсов микро волны не рассеиваются в пространстве, поэтому применение этих устройств не требует согласований с комитетами по радиочастотам. Благодаря низкому энергопотреблению достаточно двухпроводной системы подключения микроволнового датчика с питанием через информационный канал. В силу этой же причины датчики являются взрывобезопасными, что позволяет устанавливать их во взрывоопасных зонах вплоть до зон класса 0.

Для обеспечения электромагнитной совместимости микроволновых датчиков предложен специальный метод со скачкообразной перестройкой частоты (frequency hopping method), который позволяет обнаруживать электромагнитные помехи и маскировать их в динамическом режиме. Реализуемый в режиме меню пользовательский интерфейс с простым управлением кнопками и поддерживаемая ПК процедура задания параметров через HART протокол являются стандартными для датчиков этого типа.

При этом можно установить такие функции, как маскирование помех или запоминание характеристик для линеаризации резервуара. Измерительный блок можно предустановить, используя «сухую» калибровку, реализуемую по технологии plug -and -play несколькими нажатиями кнопок. Результаты много летней исследовательской работы и многочисленных экспериментов на базе метода time-domain reflectometry по идентификации отражённого сигнала с целью определения положения контролируемого уровня легли в основу программного обеспечения PulseMaster. Технические характеристики датчиков LTC серии Pulscon представлены в табл. 9.

Основные достоинства метода направленного электромагнитного излучения:

+ управление микроволновыми датчиками посредством меню и их калибровка на этапе изготовления обеспечивают простой ввод в эксплуатацию;

+ надёжное измерение порошкообразных материалов даже в процессе наполнения ёмкости;

+ измерение уровня жидкостей при образовании пены в условиях повышения давления;

+ надёжное и точное измерение в обводных и расширительных трубах;

+ возможность эффективного устранения помех отражения от арматуры

(балок, укосин и др.) и структурных элементов стенок (например гофрированных листов), резервуаров или узких силосных бункеров;

+ независимость метода от

· вида материала (жидкий/сыпучий),

· плотности,

· значения диэлектрической постоянной,

· химической агрессивности среды,

· проводимости,

· изменения свойств материала, вызванных процессом комкования;

+ абсолютная независимость метода от влияний таких факторов технологического процесса, как давление,

· температура,

· наличие подвижных поверхностей,

· пена/туман/пыль.

Недостатки:

· клейкие вещества могут вызвать отказы;

· диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6.

Магнитные погружныезонды серии LMC для непрерывного измерения уровня

Основные принципы методов непрерывного измерения уровня, основанных на использовании магнитных погружных зондов, рассмотрим на примере работы иммерсионного зонда LMC8S3-G6S-I-Ex (рис. 12).

Рис. 12. Внешний вид магнитного погружного зонда для непрерывного измерения уровня LMC8S3-G6S-I-Ex

Постоянный магнит, смонтированный на поплавке зонда, вызывает срабатывание герметизированных магнитоуправляемых контактов, установленных на направляющей трубе.

При срабатывании эти контакты включаются между последовательно включёнными резисторами внутри направляющей трубы; таким образом при перемещениях поплавка общее значение сопротивления изменяется квазинепрерывно, в зависимости от разрешающей способности зонда. Точность измерения не зависит от электрических свойств среды, а так же от давления, температуры и плотности. Поставляются модификации зонда в корпусах из пластика или нержавеющей стали, во взрывозащищённом исполнении (маркировка взрывозащиты EEx ia IIC T6), с шаровидными или цилиндрическими поплавками. Максимальная длина направляющей трубы достигает 3 м. Выход устройства -- 2-проводной токовый (4…20 мА) или 3-проводной для подключения к потенциометру (40 кОм). При установке зонда используется резьбовое соединение G 11/2 ” или G 2” A (рис. 13).

Рис. 13. Установочные размеры магнитного погружного зонда

В месте резьбового соединения используются такие материалы, как нержавеющая сталь или полипропилен, или поливинилиденфторид (чрезвычайно устойчив к воздействию масел, смазок, кислот, щелочей и растворителей).

Общие технические данные магнитных погружных зондов

Разрешающая способность: от 8 мм (12 мм, 16 мм). Допустимая температура контролируемой жидкости: -20…+120°С. Рабочее давление: до 3 бар (пластиковая модификация), до 16 бар (модификация из нержавеющей стали). Плотность измеряемого вещества: не менее 0,6 г/cм³.

Основные достоинства:

+ простой принцип действия;

+ несложный монтаж;

+ не нуждаются в сколь-ни будь значительном техническом обслуживании;

+ не требуется регулировка вместе установки.

Недостатки:

- подъёмная сила зависит от размера поплавка;

- фактическое положение уровня, соответствующее точке срабатывания, разное для веществ с различной плотностью;

- максимальная длина направляющей трубы не более 3 м;

- минимальная плотность измеряемой среды равна 0,6 г/cм3;

- можно использовать только в очищенных жидкостях.

Раздел 2. Реальные устройства и их применение

2.1 Продукция фирмы Pepperl+Fuchs GmbH

Рассмотрим гидростатические средства контроля уровня на примере изделий фирмы Pepperl+Fuchs, которая в настоящее время предлагает измерительные зонды серии LGC и ряд датчиков гидростатического давления под общей торговой маркой Barcon. (PPCM20, LHCM20, PPCM10,LHCM40).

Гидростатические зонды для измерения уровня LGC

Зонды уровня серии LGC (рис. 1) являются датчиками гидростатического давления для измерения уровня пресной воды, питьевой воды и сточных вод.

Рис. 1. Гидростатические зонды серии LGC

Модели со встроенным термопреобразователем сопротивления из платиновой проволоки Pt100 одновременно определяют температуру в месте установки датчика. Соответствующий преобразователь (поставляется отдельно по заказу) трансформирует сигнал термопреобразователя сопротивления в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. Керамический измерительный элемент зонда является «сухим», то есть давление воздействует непосредственно на прочную керамическую диафрагму датчика и вызывает её перемещение максимум на 0,005 мм. Влияние атмосферного давления, действующего на поверхность жидкости, устраняется посредством его приложения через специальную трубку для компенсации давления к задней стороне керамической диафрагмы (рис. 2).

Рис. 2. Физические принципы функционирования гидростатической измерительной системы

Условные обозначения: h -- высота уровня жидкости; p -- общее давление (гидростатическое + атмосферное);-- плотность измеряемой среды; g -- ускорение свободного падения; p_hydr -- гидростатическое давление; p_atm --атмосферное давление.

Изменения ёмкости, вызванные перемещением диафрагмы под действием давления, выявляет керамический измерительный элемент. Электронная часть датчика преобразовывает их в сигналы, пропорциональные текущим значениям давления, которое связано линейной зависимостью с величиной уровня измеряемой среды. На рис. 3



Рис. 3. Пример установки гидростатического зонда уровня Датчики гидростатического давления Barcon

Представлен пример монтажа гидростатического зонда уровня серии LGC.

Необходимо отметить следующие моменты: боковое перемещение кабеля зонда может вызвать ошибки измерения, поэтому зонд необходимо устанавливать в месте, где отсутствуют движение жидкости и турбулентные потоки, или применять направляющую трубу с внутренним диаметром более 23 мм; конец кабеля должен размещаться в сухом помещении или соответствующей распределительной оболочке; защитный колпачок предназначен для предупреждения механических повреждений измерительного эле мента.

Основные технические характеристики зондов уровня серии LGC представлены в табл. 3.

Таблица 3. Технические характеристики зондов LGC и Pt100

Входные параметры
Измеряемые параметры	· Гидростатическое давление жидкости · Pt100: температура жидкости
Измеряемый диапазон	· Девять фиксированных измерительных диапазонов давления в единицах psi (фунт-сила на квадратный дюйм), ft H2O, бар и m H2O (метр водяного столба) · Измерительные диапазоны по спецификациям заказчика в пределах 1,5…300 psi (0,1…20 бар); диапазоны, калиброванные при изготовлении, и специальные диапазоны измерения -- по заказу · Pt100 (по заказу): измерение температуры в диапазоне от -10 до +70°С
Входной сигнал	· Изменение ёмкости керамического измерительного элемента · Изменение электрического сопротивления платиновой проволоки Pt100 (по заказу)
Выходные параметры
Выходной сигнал	· 4…20 мА для измеренного значения гидростатического давления (двухпроводной выход) · Pt100 (по заказу): зависящее от температуры электрическое сопротивление платиновой проволоки
Эксплуатационные характеристики
Точность	· Нелинейность (включая гистерезис и повторяемость): ±0,2% от полного диапазона измерения · Pt100: макс. ±0,7 K
Долговременная нестабильность	· 0,1% от полного диапазона измерений за год
Влияние температуры среды	· Температурное изменение нулевого сигнала и границ диапазона входного сигнала при типовом температурном диапазоне среды 0…+30°С: ±0,4% диапазона · Температурное изменение нулевого сигнала и границ диапазона выходного сигнала при полном температурном диапазоне среды -10…+70°С: ±1% диапазона · Максимальное значение температурного коэффициента для нулевого сигнала и границ диапазона выходного сигнала: ±0,15% диапазона/10 K (0,3% диапазона/10 K)
Время разогрева датчика	20 мс
Время нарастания сигнала до уровня 90%	80 мс Pt100: 160 c
Время установления сигнала	150 мс Pt100: 300 c
Условия окружающей среды
Диапазон рабочих температур	-10…+70°С (соответствует диапазону допустимых температур контролируемой среды)
Диапазон температур хранения	-40…+80°С
Степень защиты оболочки	IP68 (постоянно герметично закрытая оболочка); по заказу поставляется распределительная коробка со степенью защиты IP66/IP67
Сертификаты
Сертификаты соответствия	· ATEX II 2G/EEx ia IIC T6 · ATEX II 3 G/EEx nA IIC T6 · FM: IS, Class I, Division 1, Groups AD · CSA: IS, Class I, Division 1, Groups AD · CG -- общее применение

Как отмечалось ранее, при управлении технологическими процессами в резервуарах хранилищах предприятий химической, нефтехимической, фармацевтической или пищевой отраслей промышленности в применениях, связанных с охраной окружающей среды, уровень жидкостей или взвесей определяется по давлению, оказываемому ими на первичный измерительный преобразователь.

Широко используемые в перечисленных отраслях датчики гидростатического давления серии Barcon позволяют строить надёжные и недорогие измерительные системы, отличающиеся разнообразными гибкими возможностями. Основным элементом этих датчиков является первичный измерительный преобразователь.

Керамические или металлические мембранные преобразователи (рис. 4) разнообразные способы монтажа на резервуары, многочисленные варианты конструкции корпусов датчиков, выполненных из разных материалов, обеспечивают многообразие изделий серии Barcon.



Рис. 4. Мембранные преобразователи датчиков Barcon

Для данных устройств могут быть реализованы различные способы электрических подключений, в том числе на базе сетевых протоколов PROFIBUS PA или HART. Всё это позволяет создавать специальные измерительные приборы для решения конкретных задач заказчика. Варианты установки датчиков гидростатического давления LHC показаны на рис. 5.

Рис. 5. Примеры вариантов установки датчиков гидростатического давления серии LHC

2.2 Общие технические данные датчиков серии Barcon

Датчики с керамическим измерительным элементом: керамический ёмкостный первичный измерительный преобразователь; диапазон измерений от 100 мбар до 40 бар; герметизированы с защитой от перегрузки; соответствуют высоким санитарно-гигиеническим требованиям; могут работать в коррозионных и абразивных средах.

Датчики с металлическим измерительным элементом:

· сварной пьезорезистивный металлический преобразователь;

· диапазон измерений от 1 до 400 бар;

· защита от перегрузки до 600 бар.

Точность измерения:

· не хуже 0,2% установленного диапазона; возможность установки диапазона измерения с диапазоном изменения в соотношении 10:1;

· долговременная нестабильность менее 0,3% диапазона за год.

Двухпроводной измерительный преобразователь с дисплеем (рис. 6):

· унифицированный токовый сигнал 4…20 мА;

· совместимость с HART протоколом;

· PROFIBUS_PA.

Рис. 6. Датчик LHC-M40 серии Barcon с установленным дисплеем

Корпуса из нержавеющей стали и алюминия. Монтаж и установка посредством резьбовых соединений типа G 1/2", 1/2" NPT, M20x1,5, стандартных и удлинённых фланцев, соединителей с герметизирующей мембраной для применений в условиях высоких санитарно-гигиенических требований. Сертификаты для моделей во взрывозащищённом исполнении: EEx ia/Class I/Div.1. Разнообразие моделей изделий серии Barcon представлено в табл. 4.

Таблица 4. Технические характеристики датчиков давления серии Barcon

Модель	PPC-M20	LНC-M20	PPC-M10	LHC-M40
Диапазон измерения	Датчики с керамическим измерительным элементом 100 мбар…40 бар	Датчики с металическим измерительным элементом 1 бар…400 бар
Корпус	Алюминиевый или из нержавеющей стали без дисплея (сплошная оболочка) и с дисплеем (оболочка со стеклянной вставкой)
Способ крепежа	Резьбовые соединения: G 1/2” 1/2” NPT M20?1,5	Нерезьбовые соединения: _ в соответствии с санитарно гигиеническими нормами и требованиями _ фланцы по DIN/ANSI/JIS	Резьбовые соединения: _ G 1/2” (монтаж «заподлицо») _ G 1/2” (монтаж «утопленный» с герметизирующей мембраной) _ 1/2” NPT	Соединения для условий повышенного давления: _ фланцы по DIN/ANSI/JIS _ фланцы удлинённые _ резьбовые соединители
Электронная часть	Аналоговая (унифицированный токовый сигнал 4…20 мА) SMART (интеллектуальный датчик) с выходом 4…20 мА/HART PROFIBUSPA
Cертификаты	ATEX 100 EEx ia, FM, CSA, для установки в зонах классов 21 и 22, 3A, EHEDG

Простой принцип действия, гибкость установки соответствующего оборудования и отсутствие необходимости в его обслуживании, а также относительно низкая стоимость являются важными факторами в пользу широкого применения метода. Суммируя приведённые данные, можно сформулировать и другие достоинства и преимущества метода направленного электромагнитного излучения.

2.3 Ультразвуковые датчики серии LUC4

Внешний вид УЗК-датчика LUC4T

УЗК датчики серии LUC4 специально разработаны для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Тефлоновое покрытие корпуса датчика позволяет применять датчик с коррозионными жидкостями. Маскирование стационарных объектов даёт возможность устанавливать датчик в местах, где подпорки или другие элементы внутренней конструкции резервуара попадают в зону измерения. Проиллюстрируем это примером. В резервуаре имеется скоба, которая формирует паразитный эхосигнал (рис. 8).

Рис. 8. Подавление эхо-сигнала от стационарного объекта в резервуаре

Без его подавления результаты измерения будут неточными. Рекомендуется следующий алгоритм:

1)калибровка датчика вне резервуара с имитацией пустого резервуара,

2)подавление эхо сигнала от стационарного объекта в рабочем положении,

3)калибровка датчика в рабочем положении при заполненном резервуаре.

Подавление паразитного сигнала уменьшает мощность полезного сигнала, и в некоторых случаях приходится оценивать это уменьшение, чтобы не потерять полезный сигнал.

Датчик также оснащён средствами для компенсации влияния изменений температуры. Кроме того, можно установить внешние зонды, которые контролируют температуру измеряемой поверхности независимо от условий в месте монтажа датчика, что минимизирует погрешности, вызванные температурными колебаниями. Основные технические характеристики датчиков серии LUC4 приведены в таблице 7.

Таблица 7. Технические характеристики LUC4

Диапазон измерения	0,3…4 м (для жидкостей)
Точность	0,5% от полного диапазона измерения
Разрешающая способность	2 мм
Напряжение питания постоянного тока	10…30 В
Выходной сигнал	Унифицированный токовый 4…20 мА (R<500 Ом), 0…10 В (R>1 кОм)
Индикаторы: рабочий режим отказ	зелёный светодиод красный светодиод (мерцание с частотой 2 Гц)
Допустимая температура окружающей среды	-25…+70°С
Допустимая температура хранения	-40…+85°С
Допустимая температура контролируемой среды	-25…+70°С
Рабочее давление	Атмосферное
Материал корпуса	Полибутентерефталат (PBT)
Материал поверхности мембраны	Политетрафторэтилен (PTFE)
Способ крепежа	Резьбовое соединение G 1/2” A, нержавеющая сталь Резьбовое соединение G 1/2” A, полипропилен Резьбовое соединение 1 1/2” NPT, нержавеющая сталь Резьбовое соединение 1 1/2” NPT, полипропилен
Степень защиты	IP55

2.4 Ультразвуковые датчики серии LUC-T

Компактные УЗК датчики серии LUC_T (рис. 9) предназначены для бесконтактного измерения уровня жидкостей и насыпных твёрдых сред.

Рис. 9. Датчики серии LUC-T

Серия LUC-T включает в себя три типа датчиков с различными видами электрических выходов (2- или 4-проводное подключение) и диапазонами измерения расстояния до уровня раздела сред, начиная с 0,25 м.

LUC-Txx-x5: в случае 4-проводного подключения при измерении с размерами структурных компонентов материала от 4 мм гарантированный диапазон измерения составляет до 2 м, при измерении уровня жидкостей -- до 5 м (2-проводное подключение с питанием через информационный канал -- до 4 м).

LUC-Txx-x6: в случае 4-проводного подключения при измерении уровня сыпучих материалов с размерами структурных компонентов материала от 4 мм гарантированный диапазон измерения составляет до 3,5 м, при измерении уровня жидкостей -- до 8 м (2-проводное подключение с питанием через информационный канал -- до 7 м).

LUC-T30 (только 4-проводное подключение): гарантированный диапазон измерения при определении уровня сыпучих материалов с размерами структурных компонентов материала от 4 мм составляет до 7 м, при измерении уровня жидкостей -- до 15 м.

Все датчики имеют встроенную систему компенсации влияния температурных колебаний на результаты измерений.

Приведём главные особенности датчиков LUC-T.

· Оптимизированный набор способов крепежа: резьбовое соединение типа G 1/2" или 11/2" NPT.

· Возможность считывания статуса датчика посредством светодиодных индикаторов.

Различные варианты исполнения выходов

LUC-T10: 2-проводной выход с питанием через информационный канал, маркировка взрывозащиты EEx ia/ATEX II 2G;

LUC-T20: 2-проводной выход с питанием через информационный канал или 4-проводное подключение;

LUC-T30: 4-проводной выход, маркировка взрывозащиты ATEX II 1/3 G для установки в зоне класса 10 (горючие пыли или волокна).

· Возможность считывания показаний датчика в месте его установки с дисплея (поставляется по дополни тельному заказу).

· Совместимость с HART протоколом для удалённой настройки датчиков. Поддержка цифровой промышленной коммуникационной сети PROFIBUS-PA. На рис. 10. Показаны способы установки и подключения УЗК датчиков серии LUC-T.



Рис. 10. Установка и подключение УЗК-датчиков серии LUC-T

Датчики совместимы с протоколами сетей HART и PROFIBUS-PA и могут конфигурироваться посредством программного обеспечения PACTware (Process Automation Configuration Tool) фирмы Pepperl+Fuchs. Основные технические характеристики изделий данной серии отражает табл. 8.

Таблица 8. Технические характеристики LUC-T

Диапазон измерения расстояния до поверхности жидкости	· LUCTxxx5: 0,25…4 м, при 4проводном подключении 0,25…5 м · LUCTxxx6: 0,4…7 м, при 4проводном подключении 0,4…8 м · LUCT30: 0,6…15 м
Диапазон частот излучения	· LUCTxxx5: примерно 70 кГц · LUCTxxx6: примерно 50 кГц · LUCT30: примерно 35 кГц Частота импульсов от 0,5 до 3 Гц (зависит от типов датчика и его выхода)
Время включения	· Около 5 с для 2проводного подключения · Около 1 с для 4проводного подключения
Точность	0,25% от полного диапазона измерения
Гистерезис	· 3 мм для 2проводного подключения · 2 мм для 4проводного подключения
Диапазон рабочих температур только для электронной части	-20…+60°С
Диапазон температур хранения	-40…+80°С
Взрывозащита	· LUCT10 (2проводной взрывозащищённый выход): маркировка взрыво защиты EEx ia IIC T6, установка в зоне класса 1 · LUCT20 (2проводной и 4проводной стандартный выход): без взрывозащиты · LUCT30 (4проводный выход): установка в зоне класса 10 (образование горючей пыли или волокон)
Допустимая температура поверхности контролируемой среды	-40…+80°С
Допустимое давление в зоне измерения	· LUCT10, LUCT20: 3 бар · LUCT30 (крепление при помощи фланцев или скоб): 2,5 бар

Таблица. 9. Технические характеристики датчиков Pulscon

Измерение уровня насыпных материалов (используется тросовый зонд диаметром 4 мм)
Диапазон измерения	1…20 м
Рабочее давление	Вакуум…16 бар
Допустимая температура измеряемого вещества Допустимая температура окружающей среды	-40…+150°С -40…+80°С
Способ крепежа	Резьбовое соединение G 1/2”, 11/2” NPT, фланцевые соединения по DN50/ANSI2”
Прочность на разрыв троссового зонда (4 мм)	15 кН
Минимальная диэлектрическая постоянная измеряемого вещества	1,6
Допустимый размер структурных компонентов сыпучих материалов (гранул)	До 20 мм (макс.)
Точность измерения	±10 мм
Питание: 2-проводное исполнение датчика 4-проводное исполнение датчика	16…36 В постоянного тока (стандартное исполнение); 16…30 В постоянного тока (искробезопасное исполнение) 85…250 В переменного тока (50/60 Гц); 10,8…36 В постоянного тока
Выходной сигнал	Токовый 4…20 мА/HART (2или 4проводная линия связи)/PACTware PROFIBUSPA/PACTware Foundation Fieldbus
Измерение уровня жидкостей (используется стержневой или коаксиальный зонд)
Диапазон измерения	0,3…4 м
Допустимая температура измеряемого вещества Допустимая температура окружающей среды	-40…+150°С -40…+80°С
Способ крепежа	Резьбовое соединение от G 3/4”, 3/4” NPT, фланцевые соединения по DIN50/ANSI2”
Герметизирующий материал	Уплотнительное кольцо из Viton/EPDM/Kalrez
Минимальная диэлектрическая постоянная измеряемого вещества	1,6 (стержневой зонд) 1,4 (коаксиальный зонд)
Точность измерения	±5 мм
Питание: 2-проводное исполнение датчика 4-проводное исполнение датчика	16…36 В постоянного тока (стандартное исполнение); 16…30 В постоянного тока (искробезопасное исполнение) 85…250 В переменного тока (50/60 Гц); 10,8…36 В постоянного тока
Выходной сигнал	Токовый 4…20 мА/HART (2или 4проводная линия связи)/PACTware PROFIBUSPA/PACTware Foundation Fieldbus

Раздел 3. Сравнение реальных датчиков

3.1 Гидростатические зонды для измерения уровня LGC

ПРИМЕНЕНИЕ

Используется там, где требуется непрерывное измерение уровня жидкости. Подходит для измерения уровня воды и сточных бытовых вод в отстойниках и водоочистных станциях.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

· Датчик чрезвычайно точен и предназначен для тяжёлого режима эксплуатации

· Диапазон измерения от 0,1 до 20 бар

· Точность не хуже 0,2%

· Полностью герметизированный корпус

· Длина кабеля зонда 60 м

· Встроенный подавитель выбросов напряжения

· Тип выхода: 4...20 мА

· Исполнение для измерения температуры

3.2 Ультразвуковые датчики серии LUC4

ПРИМЕНЕНИЕ

Компактные ультразвуковые приборы бесконтактного измерения уровня жидких cред, насыпных крупнозернистых материалов. Cерия LUC-M ультразвуовых средств контроля уровня расширяет ряд продукции фирмы Pepperl+Fuchs, которые предлагаются для бесконтактного измерения уровня. Серия LUC-M cостоит из четырех компактных устройств. Они могут применяться для непрерывного бесконтактного измерения уровня жидкостей, паст и крупнозернистых сыпучих материалов. Диапазон измерения сыпучих материалов до 7 м, для жидких сред до 15 м. Новая серия измерительных приборов характеризуется упрощённым процессом конфигурирования в режиме меню, процесс настройки демонстрируется на четырехстрочном ярком текстовом дисплее или выполняется посредством конфигурационного ПО PACTware. датчик уровнемер зонд

ХАРАКТЕРИСТИКИ

· Максимальный диапазон измерения LUC-M10 5 м для жидкостей, 2 м для сыпучих материалов

· Максимальный диапазон измерения LUC-M20 8 м для жидкостей, 3,5 м для сыпучих материалов

· Максимальный диапазон измерения LUC-M40 10 м для жидкостей, 5 м для сыпучих материалов

· Максимальный диапазон измерения LUC-M30 15 м для жидкостей, 7 м для сыпучих материалов

· Диапазон температур измеряемого материала от -40 до +80°С

· Диапазон измерения температуры окружающей среды от -40 до +80°С

· Давление технологического процесса для LUC-M10/M20 3 бар (абсолютное)

· Давление технологического процесса для LUC-M30/M40 2,5 бар (абсолютное)

· Все четыре устройства обеспечивают комплексирование через HART-интерфейс (4...20 мА), промышленные сети PROFIBUS-PA и FOUNDATION Fieldbus

Новый компактный ультразвуковой датчик LUC-M40 с фланцевым монтажом DN80/DN100 специально разработан для бесконтактного измерния в химически-агрессивных средах с герметически приваренным ультразвуковым датчиком из PVDF. Максимальный диапазон измерений до 10 м при температуре измеряемой среды от -40 до +80°С.

3.3 Датчик LTC серии Pulscon

ПРИМЕНЕНИЕ

Используется для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Пригоден для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов Диапазон измерения от 0,5 до 20 м Варианты со стержнем или тросом Простой монтаж и программирование Не подвержен влиянию давления, температуры и турбулентности По заказу поставляется устройство отображения Многочисленные варианты подключения к технологическому процессу Обширный ряд выходов: 2/4-проводные схемы подключения к цепям переменного/постоянного тока, 4...20 мА, HART, PROFIBUS-DP, Foundation H1

3.4 Датчики серии LUC-T

ПРИМЕНЕНИЕ

Ультразвуковые датчики уровня широко используются для измерения и контроля объема жидких и сыпучих веществ в резервуаре и уровня заполнения емкости.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ультразвуковой датчик уровня Pepperl Fuchs LUC4T специально разработан для измерения уровня заполнения жидкости в емкости в диапазоне до 4м. Покрытие из тефлона делает его пригодным для работы с агрессивными жидкостями и сточными водами. Уровнемеры серии LUC4T имеют аналоговый сигнал 4.. 20 мА и 0.. 10 В на выходе. Встроенная функция подавления помех и встроенная температурная компенсация.

Простота монтажа и последующего использования, надежность, стандартные выходные сигналы и высокая степень защищенности от агрессивных сред позволяют использовать ультразвуковые датчики уровня Pepperl Fuchs LUC4T в широком диапазоне задач.

Заключение

Представленные в курсовой работе средства контроля предельного уровня жидкостей и сыпучих материалов являются неотъемлемой частью многих систем автоматизации производства, поэтому от их метрологических параметров, функциональных возможностей и эксплуатационной надёжности в значительной степени зависят качество и эффективность этих систем.

Уровнемеры фирмы Pepperl+Fuchs, созданные на основе различных физических принципов, характеризуются хорошими метрологическими параметрами, эксплуатационной надёжностью, а также возможностью связывать их с цифровыми коммуникационными промышленными сетями, что позволяет осуществлять дистанционную настройку параметров, проводить предварительную вычислительную обработку измерительной информации, организовать информационное взаимодействие с современными средствами автоматизации.

Список литературы

1.Westers T. The door to two worlds. --Mannheim: Pepperl+Fuchs PA, 2001.

2.Stegmueller W. Level Technology.Introduction to the productlines andtheir physical principles. -- Pepperl+Fuchs Kolleg GmbH, Mannheim,1998.

3.Handbook for the training pack SENSORIC SP1. Pepperl+FuchsKolleg GmbH, Mannheim, 1995.

4.ПневмоЭлектро Сервис автоматизация сегодня

http://www.pes-rus.ru/catalog/?part=1500000000

5. ОБЗОР/АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА . Приборы для измерения уровня.

Размещено на Allbest.ru