7.2 Автоматический контроль уровней и расходов продуктов

Автоматический контроль уровней сред

Классификация уровнемеров. Автоматический контроль уровней различных сред - необходимое условие при управлении рядом технологических процессов и автоматизации работы некоторых обогатительных машин: автоматизация заполнения бункеров сыпучим материалом, стабилизация уровней пульп в вакуум-фильтрах, флотационых машинах, зумпфах и т.п.

Средства и схемы контроля уровней сред классифицируются на непрерывные (аналоговые) и дискретные (релейные). Аналоговые уровнемеры применяются при необходимости получения непрерывной информации о текущем значении уровней, например, при автоматическом управлении процессами и аппаратами. Дискретные уровнемеры контролируют фиксированный (заданный) уровень среды. Вид информации о значении уровня в этом случае – оптическая и звуковая сигнализация.

По способу контроля уровня существует более широкая классификация. Наиболее применяемые уровнемеры: электродные, поплавковые, манометрические, пьезометрические, емкостные, радиоизотопные, фотометрические и пр.

Электродные уровнемеры. Для дискретного контроля уровней сыпучих и жидких токопроводящих сред получили наибольшее распространение. В горно-обогатительной практике широко применяется электродный указатель уровня УКС-1У и ранняя модификация – ИКС-2Н.

Упрощенная схема электродного уровнемера представлена на рис. 7.11.

Работа схемы проста. При достижении поверхности среды конца датчика уровня (ДУ) возникает электрическая цепь от источника питания U₁, что вызывает срабатывание реле Р1. Замыкающийся при этом его контакт Р1-1 подает питание U₂ на промежуточное реле Р2, контакты которого (на схеме показан один) могут использоваться для сигнализации и блокировки электрических цепей управления приводами оборудования, например, выключить конвейер подачи материала в бункер.

Схема промышленного УКС обеспечивает искробезопасность при контакте электрода с контролируемым материалом, например, в бункере, где возможно скопления метана, ликвидирует ложное срабатывание реле при запыливании электродного блока и имеет возможность контролировать 2 уровня: нижний и верхний, используя два электрода.

Поплавковые уровнемеры. Применяются для непрерывного контроля уровней в основном чистых жидкостей. Для регистрации контролируемого уровня достаточно кинематически связать перемещение поплавка с любым преобразователем перемещения и передать полученный сигнал на вторичный прибор.

Манометрический уровнемер. Применяется для непрерывного контроля уровней любых с открытой поверхностью жидких сред, включая пульп и суспензий. Наиболее простой и надежный способ. Схема приведена на рис. 7.12.

Уровнемер состоит из манометрической трубки (1), помещенной в объекте на глубину необходимого для контроля уровня (h), дифференциального манометра (ДМ) и регистратора (вторичного прибора).

Дифманометр измеряет перепад давлений:

ΔР = Р₁-Р₂;

где Р₁ = Р_атм+ ρgh; Р₂=Р_атм

откуда ΔР = ρgh,

здесь ρ – плотность жидкости.

При постоянных ρ и g имеем ΔР = сh ≡ h

Для данного уровнемера легко рассчитывается и выбирается тип дифманометра, соответствующий требуемым пределам измерения уровня.

Вероятность зашламования манометрической трубки можно снизить путем увеличения ее диаметра.

Пьезометрический уровнемер. Работа уровнемера (рис. 7.13а) основана на измерении давления воздуха, продуваемого через слой жидкости с помощью пьезометрической трубки. Это давление теряется на преодоление гидростатического давления Р жидкости:

P = ρgh,

где ρ – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести; h – толщина слоя жидкости.

Основной недостаток данного уровнемера – необходимость использования очищенного сжатого воздуха.

При изменении уровня жидкости меняется площадь обкладки образованного конденсатора, что сопровождается изменением емкости.

Емкостный уровнемер. В основе работы уровнемера лежит измерение емкости конденсатора, образованного погруженным в среду электродом и непосредственно контролируемой средой.

Для жидких электропроводящих сред применяются первичные преобразователи с одним электродом (рис. 7.13 б), покрытым изоляционным слоем. Роль второго электрода играет измеряемая среда.

Для измерения уровня неэлектропроводящих сред используется первичный преобразователь с двумя неизолированными электродами (рис. 7.13 в).

Измерение емкости и преобразование ее в пропорциональный изменению уровня выходной сигнал осуществляется промежуточным преобразователем (Пр), содержащим индуктивно-емкостный мост.

Радиоизотопный уровнемер (гамма-реле). Предназначен для дискретного контроля уровня твердых и жидких сред, например, контроль заполнения бункеров, баков оборотной и технической воды и пр.

Работа основана на том, что гамма-излучение поглощается контролируемой средой в значительно большей степени, чем веществом, находящимся над ней. Уровнемер (рис. 7.13 г) содержит источник гамма-излучения (7), блок детектирования (8) и электронный блок (9). Сигнал с электронного блока управляет промежуточным реле, контакты которого используются для сигнализации и в цепях блокировки.

Контроль расходов жидких и газообразных сред

Расходомеры переменного уровня. Расходомеры данного типа реализуют известную зависимость расхода жидкости через отверстие истечения, расположенного в дне сосуда, от уровня жидкости:

, (7.3)

где β– коэффициент расхода;

F₀ – площадь отверстия истечения;

g – ускорение силы тяжести;

h – уровень жидкости

Наибольшее распространение получили расходомеры с пульпосливом (рис. 7.14), где контролируемая среда вытекает из вспомогательной емкости (расходомерный бак) через калиброванную щель. Они получили название – щелевые расходомеры.

В случае прямоугольной щели (рис. 7.14 б) расход жидкости определяется выражением:

, (7.4)

здесь m – коэффициент расхода (для пульп m=0,65);

b – ширина порога слива;

K – постоянный коэффициент

Как следует из формулы, связь между расходом жидкости и уровнем нелинейна, что создает некоторые трудности при контроле параметра.

Связь можно получить линейной, если сделать переменной ширину порога слива (b_i):

(7.5)

Коэффициент K определяется по формуле K=Q_max/h_max

Профиль щели, построенный по уравнению (7.5) показан на рис. 7.14, в.

В нижней части криволинейный профиль заменяется прямоугольным, так как при приближении h_i к 0 величина b стремится к бесконечности. Поэтому начальным участком шкалы (h₀) пользоваться нельзя.

Щелевые расходомеры широко применяются при контроле расходов пульп и суспензий.

Расходомеры переменного перепада давления (РППД). Используются при контроле расходов жидких и газообразных сред. Позволяют измерять большие расходы сред при высоких внутренних давлениях в трубопроводах.

Принцип работы основан на измерении перепада давления, возникающего на специальном сужающем устройстве, помещенном в трубопроводе. Виды сужающих устройств показаны на рис. 7.15.

Перепад давления Δp – p₁ – p₂ возникает в соответствие с законом Бернулли:

, (7.6)

где p₁, v₁ – давление и скорость потока до сужающего устройства;

p₂, v₂ – то же после сужающего устройства;

ρ- плотность среды

Из (6.6) следует:

Массовый расход составит:

, (7.7)

здесь α – коэффициент, зависящий от типа сужающего устройства;

S – сечение проходного отверстия сужения

Достаточная точность контроля обеспечивается только стандартными сужающими устройствами (на рис. 7.15 а, б, в), которые изготовляются с высокой точностью из специальных сталей. Для чистых жидкостей и газов применяют нормальные диафрагмы, для контроля расходы пульп и суспензий рекомендуется использовать сопло или трубу Вентури (рис. 7.16), рабочие поверхности которых для повышения износостойкости могут футероваться различными стойкими к истиранию материалами (например, каменное литье) или гуммироваться.

Для предотвращения попадания твердой фазы контролируемой среды в полости дифманометров отбор давлений осуществляется с помощью разделительных сосудов (2).

Верхняя и нижняя полости разделительных сосудов разделены вялой мембраной, при этом верхние полости и полости дифференциального манометра заливаются дистиллированной водой.

Расходомеры постоянного перепада давлений. К данной группе относятся ротаметры и поршневые расходомеры (рис. 7.17). Здесь при изменении расхода среды меняется проходное сечение за счет перемещения рабочего элемента вверх – поплавка в ротаметрах или поршня в поршневых расходомерах.

Перемещение рабочих элементов преобразуется в электрический сигнал с помощью трансформаторных преобразователей.

Ротаметры применяются для измерения небольших расходов газообразных и жидких (преимущественно чистых) сред.

Поршневые расходомеры могут контролировать расходы вязких жидкостей, например, мазута.

Электромагнитные расходомеры. Применяются для контроля больших расходов жидких токопроводящих сред (рис. 7.18). В основе работы лежит известный закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Расходомер содержит участок трубы (1), выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, который пронизывается магнитным полем (Н). В столбиках жидкости (2), пересекающих магнитный поток со скоростью V, наводится эдс:

Е_вых=klHV,

где k– коэффициент; l – длина столбика жидкости (расстояние между электродами (3)); Н – напряженность поля; V – скорость потока.

Таким образом, измеряя Е_вых, можно судить о расходе потока, который составит Q=SV=SE/(klH),

здесь S – площадь сечения трубы.

Основные недостатки расходомера – невысокая точность измерения, зависимость показаний прибора от свойств контролируемой среды.

В промышленности хорошо себя зарекомендовал электромагнитный расходомер МР-400К.