Расчет передаточной функции

ВВЕДЕНИЕ
Ректификационные колонны находят широкое применение в химической промышленности для разделении двух- и многокомпонентных смесей.
Исходная схема имеет следующий вид:

Рисунок А – Схема автоматического регулирования ректификационной
колонны с использованием импульсов от анализаторов
качества:
1-ректификационная колонна; 2-холодильник; 3-теплообменник;
4-дефлегматор; 5-газосепаратор; 6-испаритель; 7-смотровой фонарь;
8-дифференциальный датчик регулятора давления паров; 9-датчик
регулятора давления паров; 10-регулятор расхода исходной смеси;
11-регулятор давления паров;12-двухимпульсный регулятор давления паров
продукта; 13-регулятор уровня; 14-регулятор давления; 15, 16, 17-трубо-
проводы исходной смеси; 18-водопровод; 19-паропровод.
Процесс разделения в ректификационной колонне основан на многократном чередовании испарения жидкости с многократной конденсацией пара.
Исходная смесь, нагретая в подогревателе 2 до температуры кипения, поступает в среднюю часть ректификационной колонны 7, откуда стекает по тарелкам или насадке вниз, навстречу восходящим потокам пара. Пары продуктов, поднимаясь по колонне, протекают через жидкость, находящуюся на тарелках (или соприкасаются с жидкостью, стекающей по насадке), и обогащаются низкокипящим, легколетучим компонентом смеси. По выходе из верхней части колонны пары поступают в дефлегматор 3. Здесь часть паров конденсируется и возвращается в колонну, где стекает в виде флегмы сверху вниз.
Другая часть паров идет в холодильник для превращения в дистиллат — готовый продукт.
В нижнюю часть колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из трудно летучего компонента. Часть ее, так называемый кубовый остаток, непрерывно отводится в сборник, а остальная часть испаряется за счет тепла пара, подводимого в кипятильник 4.
Таким образом, из исходной смеси выделились два компонента: легколетучий — в виде дистиллата и труднолетучий (высококипящий) — в виде кубового остатка.
Основные задачи автоматизации процесса ректификации заключаются в обеспечении заданной точности разделения смеси жидкостей и максимальной интенсивности и экономичности процесса.
Ректификационная колонна является сложным объектом с взаимосвязанными величинами и запаздыванием, вызванным медленным массо- и тепло- обменом.
Основными источниками возмущений в процессе ректификации являются изменения: расхода, состава и температуры исходной смеси; скорости паров, температуры и давления в колонне.
Режимом ректификации можно управлять выбором места ввода исходной смеси, а также воздействием на изменения:
1) расхода и температуры исходной смеси;
2) величины отбора дистиллата и подачи флегмы па орошение;
3) интенсивности парообразования в кипятильнике.
На рисунке А приведена схема несвязанного регулирования ректификационной колонны, основная идея которого заключается в стабилизации процесса путем устранения основных возмущающих факторов.
Системы регулирования отдельных параметров по этой схеме связаны между собой косвенно через процесс, поскольку при работе одного регулятора, управляющего каким-либо параметром, другие параметры также изменяются. Применением значительного количества стабилизирующих регуляторов основные возмущения и влияние параметров друг на друга почти полностью устраняются, и этим достигается нормальная работа колонны.
Расход исходной смеси, поступающей по трубопроводу 5 в подогреватель 2, а затем в колонну 7, стабилизируется регулятором 14. Диафрагму и регулирующий клапан на трубопроводе 5 устанавливают до подогревателя, исходя из основного условия — однофазности измеряемого потока, что необходимо для правильного измерения расхода при помощи сужающих устройств. До подогревателя в трубопроводе имеется только жидкая фаза, а после него — смесь пара и жидкости.
Температура жидкости на выходе из подогревателя поддер­живается постоянной регулятором 15, изменяющим подачу пара. Для уменьшения транспортного запаздывания воспринимающий элемент и регулирующий орган устанавливают рядом с подогревателем.
Пройдя колонну, пары низкокипящего компонента конденси­руются в дефлегматоре 3. Конденсат проходит через смотровой фонарь 20, выполняющий одновременно роль газосепаратора, и разделяется на два потока: флегмы и дистиллата.
Подача флегмы в колонну для орошения, но данной схеме непо­стоянна и для получения дистиллата заданного состава изменяется регулятором 18 температуры верха колонны.
Флегма поступает по трубопроводу 11 на верхнюю тарелку, а весь избыток конденсата и пара уходит в виде дистиллата по трубопроводу 12 в холодильник-конденсатор и далее в сборник дистиллата.
Гидравлический затвор 13 служит для создания перепада давления на регулирующем клапане. Верхнее колено гидравлического затвора соединено с трубопроводом 8, отводящим газ из газосепаратора 20. Это делается во избежание выхода жидкости через колено под действием сифона. Давление в колонне стабилизируется регулятором 19, который воздействует на выпуск газа через трубопровод 8.
Поток продукта из низа колонны (кубовый остаток) регулируется в зависимости от уровня жидкости внизу колонны регулятором 17, При недостаточности давления в колонне для отвода продукта самотеком он откачивается центробежным или поршневым насосом. В случае применения центробежного насоса регулирующий клапан устанавливают на нагнетательном трубопроводе насоса, а при поршневом насосе с электродвигателем — на обводном трубопроводе, соединяющим нагнетание с всасыванием.
В пожаро- и взрывоопасных производствах применяются насосы с паровым приводом. В этом случае регулятор 17 воздействует на подачу пара к приводу насоса.
Следует отметить, что регулятор уровня 17 воздействует через процесс на работу регулятора температуры 16. Особенно значительно это воздействие при разделении смесей низкокипящих жидкостей, имеющих близкие температуры кипения, и при неблагоприятном соотношении емкостей на стороне подачи и расхода регулируемого участка.
Связь через процесс существует также между регуляторами температуры 16 и 18. Взаимное воздействие их друг на друга может привести к возникновению колебательного режима обоих регуляторов. Кроме того, недостатком этой схемы является отсутствие прямого измерения состава начальной смеси. Изменения его могут быть основным источником возмущения процесса. Это объясняется, во-первых, запаздыванием межфазного и теплового обмена, и, во-вторых, сравнительно большим расстоянием от вос­принимающих элементов регуляторов 16 и 18 до места входа начальной смеси. Вследствие этого, после возмущения процесса, неизбежно попадание легколетучего компонента в кубовый остаток или высококипящего в дистиллат прежде, чем регуляторы 16 и 18 начнут перемещать регулирующие клапаны.
Несмотря на указанные недостатки и на большое количество регуляторов, систем несвязанно регулирования обладают тем достоинством, что применяемые регуляторы отличаются простотой устройства и обслуживания.
При автоматизации ректификационных колонн в зависимости от исходного сырья используют самые различные системы приборов. Если производство появляется пожаро- и взрывоопасным, могут быть применены электрические системы. Для регулирования температуры употребляют, например, термометры сопротивления с электронными мостами; для регулирования уровня, давления и расхода - дифманометры с индукционным датчиком и вторичными электронными приборами. В качестве датчиков уровня могут быть использованы также различные уровнемеры (поплавковые, контактные, радиоактивные и др.). В большинстве случаев процессы ректификации взрывоопасны и поэтому в качестве регулирующих приборов используются, в основном, приборы системы АУС и др. В этом случае датчиками температуры являются манометрические термометры с пневмати­ческим выходом или термопары и термометры сопротивления, работающие в комплекте со специальными искробезопаспыми вторичными приборами.
Для контроля расходов, давления и уровня наиболее пригодными оказываются дифманометры с пневматическим датчиком, работающие в комплекте с приборами пневматической агрегатной унифицированной системы (АУС, Старт).
В системе автоматизации по схеме, изображенной па рисунок А, и качестве регулируемых использованы только косвенные параметры качества исходного и конечного продуктов (температура, давление, расход, уровень).
В ряде случаев, такое регулирование не обеспечивает получения продуктов требуемого качества. Это объясняется физическими свойствами разделяемых продуктов и свойствами объекта регулирования.
Повышение чувствительности регуляторов к изменениям качества продукта и уменьшение запаздывания приборов можно достигнуть использованием в качестве регулируемых параметров физических величин, которые непосредственно характеризуют качество продукта.
Такими величинами могут быть давление паров, коэффициент теплопроводности, плотность и т. д.
Ограниченность ассортимента стандартных приборов качества затрудняет использование указанных величин как регулируемых параметров. Несмотря на это, в некоторых многотоннажных однотипных производствах химической промышленности находит применение непосредственное регулирование качества продукта.

1 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Контроль за расходом реагентов в химиче­ских производствах позволяет правильно вести технологический процесс, учитывать материальные потоки готовой продукции и полуфабрикатов. Автоматическое регу­лирование расхода необходимо для стабилизации непрерывного технологического процесса и поддержания в заданных пределах различных величин, определяющих протекание процесса (концен­трации реагентов, рН и др.).

Все приборы для измерения расхода могут быть разделены на две группы: расходомеры с воспринимающим элементом в потоке (контактные) и без воспринимающего элемента в потоке (бескон­тактные). Такое деление имеет первостепенное значение при выборе типа расходомера, предназначенного для работы в условиях агрессивной, токсичной, радиоактивной, вязкой или другой специфической среде.

1.1 Классификация датчиков расхода жидкости

На рисунке 1.1 представлена классификация датчиков расхода жидкости:

Рисунок 1.1 – Классификация датчиков расхода жидкости
К первой группе относятся расходомеры переменного и посто­янного перепада, щелевые, скоростные, объемные.
Ко второй группе относятся тепловые, ультразвуковые и радио­активные расходомеры. К ним же условно можно отнести и элект­ромагнитные расходомеры, электроды которых в двух точках контактируют со средой.
1.1.1 Контактные расходомеры. Расходомеры переменного перепада или расходомеры с сужающими (дроссельными) устройствами. Соплом расходомера называется сужающее устройство с круглым отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и цилиндрическую часть на выходе. Отбор давления производится в угловой части.

Рисунок 1.2 – Схемы стандартных сопел
Рассматриваемый метод основан на использовании энергетических закономер­ностей, определяющих зависимость кинетической энергии потока и его скоро­сти от физического состояния среды. Согласно уравнению Бернулли в стацио­нарных свободных потоках сумма кинетической и потенциальной энергий положения и давления вдоль потока постоянна.
Отбор давлений в диафрагме произ­водится через отверстия или через кольцевые камеры. Дроссельное устрой­ство может иметь несколько видов отбора, но при этом отверстия должны быть расположены в разных осевых плоскостях, чтобы исключить взаимное влияние давлений. Диаметр отверстий для отбора должен быть минимальным. От­верстия до и после диафрагмы должны иметь одина­ковые диаметры и острые кромки, определяющие форму потока в диа­фрагме. Струя сужается за кромкой, причем ко­эффициент сужения оказы­вает большое влияние на коэффициент расхода.

Рисунок 1.3 - Конструкции стандартной диафрагмы:

1–диафрагма с фланцевым отбором давления; 2–диафрагма с угловым
от­бором давления; 3–диафрагма с отбором типа Vena–Contracta;
L–варьируемое расстояние; e – длина цилиндриче­ской проточки.
Нормальное сопло Вентури состоит из входной части, являющейся измери­телем рас­хода, и соединенного с ней диффузора, в котором восстанавлива­ется исход­ное давление. Обе части соединены между собой цилиндрической вставкой, исключающей обратное воздействие диффузора на вход­ную часть. Диффузор – расходящаяся коническая труба, располагаю­щаяся после самого узкого сечения сужающего устройства. Классическая труба Вентури состоит из соединенных между собой конусных и цилинд­рических отрезков труб, что исключает трудно изготовляемую скруглен­ную по форме сопла входную часть.

Рисунок 1.4 - Стандартное сопло Вентури и труба Вентури

Существует также метод динамического напора, в котором для измерения расхода в контролируемый по­ток помещают не­большое напорное устройство. Расход определяется измерением распределения скоростей потока в контроли­руемом сечении и последующим интегрированием по площади сечения.
Примером устройства, осуществляющего данный метод, является напорная трубка Прандтля.

Рисунок 1.5 - Напорная трубка Прандтля

Она представляет собой тело вращения, ук­репленное на рукоятке, через которую проходят импульс­ные ка­налы. Напорные трубки обла­дают универ­сальностью и простотой конструкции.
Щелевые расходомеры. Применяются для измерения расхода жидкос-
тей, в том числе и агрессивных, протекающих при атмо­сферном давления, применяются щелевые расходомеры.

Рисунок 1.6 – Схема датчика щелевого расходомера:
1- датчик; 2 – измерительная щель; 3 – напорная трубка; 4 – трубка к
манометру; 5 – ротаметр; 6 – дроссель.
Работа расходомера основана на измерении гидростатического напора столба жидкости, свободно вытекающей из открытого сосуда через отверстие (щель) специальной формы. Для получе­ния линейной шкалы в единицах расхода ширина щели b должна изменяться в зависимости от уровня Н по закону гиперболиче­ского характера:
(1.1)
При изменении расхода высота слоя жидкости (рисунок 1.6) над основанием щели 2 изменяется. Так же изменяется гидроста­тический напор, измеряемый при помощи напорной трубки 3, через которую непрерывно продувается воздух. Давление в трубке 3 пропорционально напору Hqg (H — высота столба жидкости перед щелью, q — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести), а следовательно, и мгновенному массовому расходу жидкости. Величина гидростатического напора в трубке 3 изме­ряется манометром, давление к которому подается по трубке 4.
Для правильной работы прибора необходимо исключить вли­яние скоростного напора жидкости и воздуха в напорной трубке 3. Для этого напорная трубка устанавливается в широкой трубе, где поток успокаивается. Влияние скоростного напора воздуха исключается пропуском через дроссель 6 минимального количе­ства воздуха, которое контролируется ротаметром 5.
Для изготовления деталей щелевого расходомера материалы выбираются II зависимости от свойств жидкости. Так, для расхо­домеров серной кислоты применяется свинец листовой, литой свинец, фаолит и нержавеющая сталь.
Расходомеры постоянного перепада. В рассмотренных ранее расходомерах переменного перепада отверстие в сужающем устройстве остается постоянным, а изме­няется с изменением расхода перепад давлений до и после сужа­ющего устройства. В расходомерах постоянного перепада, наобо­рот, перепад давлений при любом расходе остается постоянным, а отверстие сужающего устройства изменяется в зависимости от расхода. Достигается это тем, что поплавок пли ротор 2 (рисунок 7), помещенный в коническую трубу 1, под действием потока поднимается и устанавливается в том месте, где сила разности трубу 1, под действием потока
поднимается и устанавливается в том месте, где сила разности (перепада) давлений, действующая на поплавок, уравновесится постоянным весом поплавка в измеряемой жидкости. Таким об­разом, перепад давлений остается постоянным. Кольцевое сечение между ободком поплавка и стойкой конической трубы увеличи­вается по мере подъема поплавка. Каждому значению расхода со­ответствует строго определенное положение поплавка. На ободке поплавка имеются наклонные канавки, напоминающие лопатки гидравлических турбин. Сила реакции потока по выходе из канавок заставляет вращаться поплавок-ротор, который центрируется в трубе. Это исклю­чает трение его о стенки трубы.

Рисунок 1.7 – Схема расходомера постоянного перепада (ротаметра):
1 – коническая труба(стеклянная или металлическая); 2 –поплавок(ротор).
Расходомеры постоянного перепада изготовля­ются различных конструкций, например, в виде ротаметров, которые бывают показывающими и с дат­чиком передачи показаний па расстояние.
Применяются ротаметры для измерения расхода жидкостей и газов.
Приборы выпускаются с калибром присоеди­няемых патрубков 6, 16 и 44 мм. Верхний про­дел для газов 0,06—25 м/ч, а для жидкостей 2,5—3000 л/ч. Класс точности приборов 2,5.
На рисунке 1.8 показано устройство ротаметра типа РЭД с электрическим индуктивным датчиком. Датчик представляет собой катушку 3 с сердечником 4, же- стко связанным с поплавком 2. Ротаметр присоединяется к вторичному прибору четырехжильным кабелем с помощью четырехштырькового разъ­ема 6. Электрическая часть прибора защищена от попадания в нее измеряемой среды разделительной трубкой 5, выполненной из немагнитного материала и прива­ренной к корпусу прибора.
Скоростные расходомеры. Принцип действия скоростных или турбинных расходомеров заключается в следующем. В измеряемый поток помещается хорошо сбалансированная легкая крыльчатка или турбинка, которая вращается в подшип­никах, обладающих малым трением. Кинетическая энергия потока заставляет вращаться крыльчатку со скоростью, пропорциональ­ной скорости потока. Конструктивно крыльчатка выполняется аксиальной или тангенциальной.

Рисунок 1.8 – Ротаметр с электрическим датчиком типа РЭД:
1 – коническая трубка; 2 – поплавок (ротор); 3 – катушка индуктивного
датчика; 4 – сердечник; 5 - разделительная трубка; 6 – четырехштырьковый
разъем.
Измерение скорости вращения крыльчатки производится, раз­личными способами: механическим, электромагнитным, фото­электрическим или радиоактивным.
При помощи турбинных расходомеров измеряется объемный расход жидкости. Для измерения массового расхода турбинные расходомеры должны снабжаться датчиками плотности и соответ­ствующими корректирующими устройствами.
Объемные расходомеры. Принцип действия объ­емных расходомеров заключается в том, что под давлением измеряемого потока рабочий (измерительный) орган движется циклически, от­меряя за каждый цикл определенный объем. Чис­ло циклов (объемов) отме­чается счетным устрой­ством, которое покапывает, сколько вещества прошло за данный отрезок време­ни. Для определения мгновенного расхода рабочий орган соединяется со спе­циальным устройством, которое измеряет скорость передвижении рабочего органа.
Объемные расходомеры в зависимости от типа ра­бочего органа разделяются на поршневые, дисковые, ротационные, шестерен­чатые и т. п.
Под давлением потока (рисунок 1.9, а) поршень 7 расходомера поднимается вверх, вытесняя жидкость из верхней полости при­бора. В крайнем верхнем положении поршень пере­ключает кран 2, вследствие чего поток направляется и верхнюю полость, до­ступ его в нижнюю по­лость прекращается и жид­кость из нее вытесняется. В крайних положениях поршня происходит пере­ключение крапа и сраба­тывание счетного устрой­ства.

Рисунок 1.9 – Объемные расходомеры:
а–поршневой; б–ротационный; в–шестеренчатый.
1 – поршень; 2 – кран; 6 – лопасть; 7 – пружины; 8 – ротор; 9 – овальные
шестерни.
Кроме клапанных объемных счетчиков для измерения расхода жидкости применяются также ротационные счетчики типа PC и барабанные типа ГСБ. Ротационные счетчики (рисунок 1.9, б) обладают большой пропускной способностью (100—600 м³/ч), а барабанные - малой (0,16—0,4 м³/ч). Давление потока па лопасти заставляет вращаться ротор 8, который расположен эксцентрично по отношению к статору прибора. Лопасти, следуя своим внешним краем по стенке статора, одновременно перемещаются но радиальным пазам ротора. Прижатие лопастей к стопкам статора обеспечи­вается пружинами 7. При вращении ротора отмериваются объемы, заключенные между двумя соседними лопастями. Скорость вра­щения ротора зависит от скорости потока, т. е. от расхода жидко­сти.
В расходомере с овальными шестернями (рисунок 1.9, в) поток измеряемой жидкости поступает в прибор через входной патрубок. В зависимости от положения шестерен каждая из них поочередно является то ведущей, то ведомой. В положении, изображенном на рисунке, ведущей является правая шестерня, которая отсекает объем, показанный двойной штриховкой. Всего за один цикл отсекается четыре таких объема. Вращение одной из шестерен передается счетному механизму.
Шестеренчатые расходомеры могут применяться для различ­ных жидкостей, в том, числе вязких.
При соответствующем выборе материала объемные расходомеры применяются для агрессивных жидкостей.
1.1.2 Бесконтактные расходомеры. Специфические свойства веществ, участвующих в процессах,. химической технологии (взрываемость, токсичность, подверженность коррозии и т. п.), вызывают необходимость применения защитных средств при использовании расходомеров. Это услож­няет приборы и понижает точность измерения. Приходится созда­вать новые приборы, в которых отсутствовал бы контакт воспри­нимающего элемента с измеряемой средой.
Электромагнитные (или индукционные) расходомеры. Они применяются для измерения рас­хода электропроводных агрессивных жидкостей. Действие элек­тромагнитного расходомера основано на том, что при движении в магнитном поло сплошной электропроводной жидкости в ней согласно закону электромагнитной индукции будет наводиться э. д. с.

Рисунок 1.10 – Схема электромагнитного расходомера:
1 – постоянный магнит; 2 – труба; 3 – электрод; 4 – электроизмерительный
прибор.
Электромагнитный расходомер (рисунок 1.10) состоит из трубы 2, по которой протекает жидкость, помещенная в магнитное поле магнита 1. Труба изготовляется из немагнитного материала. По диаметру трубы встроены электроды 3, изолированные от тру­бопровода.
Возбуждающее магнитное поле может быть как постоянным, так и переменным. При постоянном магнитном поло со променом наступает поляризация электродов, что нарушает градуировку прибора. В случае переменных магнитных полей основные затруд­нения заключаются в устранении наведенных магнитным полем в жидкости паразитных э. д. с. Тогда применяют две пары элек­тродов, включаемых по дифференциальной схеме; полезные сиг­налы складываются, а паразитные вычитаются.
Тепловые расходомеры. Тепловой метод измере­ния расхода заключается в том, что количество тепла, поглоща­емого движущейся средой от какого-либо внешнего источника, связано функциональной зависимостью со скоростью движения среды.
На участке трубы (рисунок 1.11) длиной около 300 мм распола­гают снаружи нагревательную обмотку 2, а по обе стороны от нее — обмотки термометров сопротивления 2. Все это устройство заключают в чехол 4. Жидкость, проходя через нагретый участок, отводит часть тепла. Поэтому температура после нагре­вателя будет выше, чем до нагревателя. Разность температур является функцией расхода и практически не зависит от темпе­ратуры жидкости и окружающей среды. Термометры сопроти­вления 2 включаются в мостовую схему и являются двумя ее плечами. Другими двумя плечами служат постоянные сопроти­вления R₁ и R_n. Измерительным прибором 3, включенным в диаго­наль моста, служит милливольтметр или электронный потенцио­метр.
Расходомеры применяют на трубо­проводах от 1 до 200 мм для наме­рения расходом жидкостей при высо­ких давлениях, вязких, агрессивных и ядовитых жидкостей, а также жид­костей, содержащих твердые частицы или пузырьки газа. В промышленности находят приме­нение схемы с измерением мощности нагрева при постоянной разности тем­ператур или переменного расстояния между термоприемниками. В последнее время в этих расходомерах исполь­зуют полупроводники, имеющие боль­шой температурный коэффициент. По­грешность измерения колеблется от ± 1 до ±4%.

Рисунок 1.11 – Схема теплового расходомера:
1 – нагревательная обмотка; 2 – термометры сопротивлений;
3 – электроизмерительный прибор; 4 – чехол.
Ультразвуковые расходомеры. В основу устройства ультразвуковых расходомеров положена способность ультразвуковых колебаний менять скорость распространения в движущейся жидкой среде. Разность фаз между исходным коле­банием и колебанием, прошедшим через движущуюся среду, является мерой скорости потока.

Рисунок 1.12 – Принципиальная схема ультразвукового расходомера:
1, 2 – пьезоэлементы; 3 – переключатель; 4 – электронный усилитель;
5 - высокочастотный генератор; 6 – фазочувствительный блок;
7 – показывающий прибор.
Принципиальная схема расходомера приведена на рисунке 1.12. На гуммированной металлической трубе укреплены пьезоэлементы, один из которых в каждый данный момент является излучате­лем, а другой приемником. Электрические колебания частотой 300 кгц от генератора поступают к излучающему пьезоэлементу, который преобразует их в ультразвуковые колебания, напра­вляемые к потоку через стенку трубопровода. Переключатель 3 обеспечивает передачу звука то по потоку, то против потока. После прохождения среды колебания усиливаются и поступают попеременно с частотой переключения 10 Гц па вход фазочувствительного блока. На выходе этого блока получаются напряжения, пропорциональные смещениям по фазе между исходными коле­баниями и колебаниями, прошедшими через движущуюся среду.
Верхний предел измерения таким расходомером — 7000 л/ч. Погрешность измерения не более ±2%.
Широкого распространения эти приборы пока не получили, серьезным недостатком их является сравнительная сложность аппаратуры.
Таблица 1.1 – Технические характеристики ультразвуковых расходомеров

Тип	Диаметр трубопровода, мм	Верхний предел измерений, м³/с
УЗР-В-0,4	400	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1
УЗР-В-0,6	600	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	2	2,5
УЗР-В-0,8	800	0,5	1	1,5	2	2,5	3	4	5
УЗР-В-1,0	1000	1	2	3	4	5	6	8	10

Радиоактивные расходомеры. Приборы этого типа применяются только для измерения расхода газа. Метод, положенный в основу устройства радиоактивных расходомеров, называется методом меченых молекул.
В различных приборах измерение расхода производится по амплитуде и частоте сигнала или времени прохождения метки с потоком. Такой способ используется в описыва­емом приборе (рисунок 1.13).
Здесь следящая си­стема поддерживает время прохождения метки посто­янным за счет передвиже­ния контейнера-модуля­тора радиоактивного ве­щества. С контейнером связана стрелка прибора. Контейнер-модулятор 1 располагается вблизи тру­бопровода. Поток излуче­ний прерывается (модулируется) таким образом, что он периодически пронизывает тру­бопровод только на короткие промежутки времени. Вследствие этого внутри трубопровода создаются ионизированные участки среды, так называемые метки или пакеты, которые переносятся вместе с потоком газа.

Рисунок 1.13 – Принципиальная схема радиоактивного расходомера:
1–контейнер-модулятор; 2–электроды приемника; 3–электронный
усилитель; 4–измеритель времени; 5-реверсивный двигатель.
Электроды приемника 2, установленные по потоку, фиксируют момент прохождения ионизированного пакета, а измеритель 4 отсчитывает время между моментом создания, пакета и прохождения его мимо приемника. Если скорость потока изменится, то измерителя времени 4 на управляющую обмотку реверсивного двигателя 5 подается напряжение. Реверсивный двигатель пере­двигает в соответствующую сторону контейнер-модулятор 1 и свя­занную с ним стрелку прибора до тех пор, пока время прохожде­ния метки не будет равным интервалу, заданному измерителем времени. Погрешность измерения радиоактивными расходомерами нахо­дится в пределах от ±2 до ±3%.

1.2 Выбор и расчет датчика расхода жидкости

Для схемы автоматического несвязанного регулирования ректификационной колонны, на основе классификационного анализа, выберем в качестве датчик расхода жидкости – электромагнитный расходомер ИР-61. Этот датчик является более точным в измерениях. Технические характеристики приведены в таблице 1.2 и таблице 1.3.

Таблица 1.2 – Технические характеристики расходомера с электромагнит
ным преобразователем расхода ИР-61

Тип	Диаметр D, мм	Верхние пределы скорости потока измеряемой среды, м/с										Класс точности	Первичный измерительный преобразователь
		0,5	1,0	2,0	2,5	3,2	4,0	5,0	6,0	8,0	10,0		Потребляема мощность	Параметры окружающего воздуха		Габаритные размеры	Масса, кг
		Верхние пределы измерений расхода, м³/ч												Температура, град.	Влажность, %
ИР-61	50	8,0	10	12,5	16	20	25	32	40	50	60	1	500	(-30)-(+50)	95	300*530	42

Таблица 1.3 – Технические характеристики расходомера ИР-61

Тип	Диаметр D, мм	Материал покрытия преобразователя расхода	Защищенность трубопровода преобразователя расхода покрытием	Контроллируемая среда	Параметры контроллируемой среды
					Наибольшее давление, МПа	Температура, град.
ИР-61	50-80	Фторопласт-4	До прижимного фланца	Среды любой агрессивности	1,0	(-40)-(+150)

Рассмотрим принцип действия данного датчика. Рассмотрим перемещение за время dt отрезка проводника M\M_Z длиной I в магнитном поле с индукцией В. Пусть угол между проводником и вектором его скорости U равен 9 (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Перемещение отрезка проводника в поле магнитной
индукции
Методика расчета электромагнитного расходомера включает следующие этапы:
1) для смещаемой площади
(1.2)
или в векторной форме
(1.3)
2) для потока магнитной индукции
(1.4)
3) для индуцированной э. д. с.
(1.5)
4) Если скорость U перпендикулярна I, а индукция В перпендикулярна плоскости, образованной векторами I и U, то получим:
(1.6)
5) Эта формула распространяется на случай течения жидкости в трубопроводе диаметром D со скоростью U, перпендикулярной В. Индуцированная э. д. с. вдоль диаметра, перпендикулярного В, выражается формулой:
(1.7)
В действительности скорость изменяется вдоль радиуса поперечного сечения, но так как распределение скорости симметрично относительно оси трубопровода, то можно показать, что измеренная описанным способом скорость U является средней скоростью течения. В этих условиях сигнал е пропорционален расходу.
Реализация метода. Магнитная индукция величиной 10³ Тл - 10² Тл создается двумя катушками, расположенными диаметрально противоположно по обе стороны трубопровода, расход в котором измеряется. Трубопровод изготовляется из немагнитного материала, а внутренняя поверхность трубы покрывается изоляционным слоем, в случае необходимости стойким к агрессивной транспортируемой среде.
6) Два электрода, воспринимающие сигнал, располагаются на концах диаметра поперечного сечения, перпендикулярного силовым линиям магнитного поля. Катушки питаются переменным током (например, с частотой 30 Гц), чтобы избежать поляризации электродов. При этом сигнал генерируется в виде:
(1.8)
где В₀ — максимальная величина индукции,
ω— частота ее пульсации.
Амплитуда сигнала, пропорциональная U, обычно имеет порядок мВ. Она выделяется из сигнала (рисунок 1.15) посредством синхронного детектирования.

Рисунок 1.15 – Электромагнитный расходомер и схема формирования
сигнала (фирма Sereg - Schlumberger)
Удельная электрическая проводимость жидкостей должна быть минимальной, порядка нескольких мкСм/см, во-первых, чтобы внутреннее сопротивление генератора сигнала оставалось много меньшим входного сопротивления измерительной установки и, во-вторых, чтобы ограничить постоянную времени RC, где емкость
С определяется, главным образом, соединительными кабелями. Диапазон измеряемых расходов зависит от диаметра трубопровода; скорость течения обычно составляет от 1 до 10 м/с.
Достоинства электромагнитных расходомеров:
а) измерение не зависит от физических свойств жидкости (плотности, вязкости, удельной электрической проводимости — при условии, что она выше некоторой минимальной величины порядка нескольких мкСм/см);
б) измерение практически не зависит от распределения скорости в трубопроводе, что позволяет, в случае необходимости, размещать расходомер вблизи местных сопротивлений (колен, задвижек и т. п.);
в) в зоне измерений не происходит потери напора, так как сечение трубопровода ничем не загромождается;
г) отсутствие у расходомера подвижных изнашиваемых элементов;
д) коррозионная стойкость расходомера (например, в случае кислот), обеспечиваемая выбором соответствующего внутреннего покрытия (тефлон, эмаль, стекло) и материала электродов (титан, платина).
Недостатки выбранного расходомера:
а) высокая цена, сложность конструкции;
б) высокое энергопотребление и невозможность автономного питания;
в) невозможность измерения расхода непроводящих сред и конденсата.

1.3 Модернизация датчика расхода жидкости

В данном случае модернизация может заключаться либо в замене электромагнитного расходомера на более совершенный его вид, либо подбор датчика, характеристики и свойства которого значительно выше данного. Для модернизации ректификационной колонны вместо рассчитанного электромагнитного датчика расхода жидкости ИР-61 включим электромагнитный датчик расхода жидкости типа РСЦ. Этот датчик разработан ЗАО «ВТК Энерго».

Рисунок 1.16 – Расходомер электромагнитный типа РСЦ
Расходомер-счётчик электромагнитный РСЦ (рисунок 1.16) предназначен для непрерывного измерения расхода и объёма, протекающих по трубопроводу электропроводящих невзрывоопасных жидкостей. Расходомер может применятся для технологических целей и учётно-расчётных операций в системах водоснабжения жилых, общественных, коммунально-бытовых зданий, промышленных предприятий, а также в системах автоматического регулирования.
Новые функции прибора:
1) изменение масштаба шкалы расхода по токовому выходу;
2) демпфирование (сглаживание) показаний мгновенного расхода (степень
сглаживания задается путем изменения времени сглаживания);
3) дополнительный счетчик с возможностью обнуления, позволяет исполь-
зовать прибор для измерения дозированных объемов;
4) выбор режима подсветки (автоотключение через 1 минуту после послед-
него нажатия кнопки, либо постоянная подсветка).
Достоинства прибора по сравнению с выбранным датчиком расхода жидкости:
1) широкий диапазон измерения расхода - от 0,1% до 100% максимального
значения, например при использовании РСЦ в системах с большим перепадом рас-
хода жидкости;
2) наличие интерфейса RS-485 и токового выхода (0-5 мА, 0-20 мА,
4-20 мА) позволяет использовать РСЦ в автоматизированных системах учета и регу-
лирования расхода жидкостей. Использование интерфейса RS-485 позволяет под
ключать до 32 приборов к одной линии связи;
3) не чувствителен к взвесям и пузырькам воздуха в жидкости (в отличие от
ультразвуковых);
4) малое потребление мощности (не более 2 Вт с включенной подсветкой
индикатора и не более 1,4 Вт с отключенной);
5) поставляется в комплекте с распаянным кабелем. При монтаже РСЦ не
обходима только установка датчика на трубопровод;
6) по отдельному заказу возможно изготовление прибора с функцией регу-
лирования расхода жидкости, путем выдачи сигналов на управляемую задвижку.
Таблица 1.4 – Технические характеристики датчика расхода типа РСЦ

Диапазон измерения, % (100%=10 м/с расхода)	от 0,1 до 100
Относительная погрешность, %	±1
Номинальное давление, атм.	25
Максимальная температура жидкости, °С	150
Напряжение, В	220 (+10%/-15%)
Окружающая температура, °С	от 5 до 50
Межповерочный интервал	4 года

С вводом нового датчика система улучшается, так как диапазон измерения шире, чем у предыдущего датчика. Масса исходного датчика равна 42 кг, а выбранного после модернизации – 17 кг, вследствие этого уменьшится масса самой системы. Номинальное давление, которое выдерживает исходный датчик гораздо меньше, чем у модернизированного. Габариты у модернизированного датчика меньше, чем у исходного. В модернизированном датчике выводной результат выводится на цифровой дисплей, что значительно упрощает измерения.

2 ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
В химической промышленности температура часто является важнейшим параметром, определяющим течение и конечные, результаты технологического процесса. Для его измерения используются разнообразные методы и приборы.
В качестве единицы измерения температуры по Международной системе единиц (СИ) принят градус Кельвина (°К) термодинамической температурной шкалы, в которой для температуры тройной точки воды установлено значение 273,16° (точно). Обычно пользуются единицей Международной практической температурной шкалы — градусом Цельсия (° С).
Все приборы для измерения температуры можно разделить на термометры и пирометры. Термометры для измерения высоких. температур (свыше 600° С) называют обычно пирометрами.

Рисунок 2.1 Классификация датчиков температуры
2.1 Классификация приборов предназначенных для измерения
температуры


2.1.1 Термоэлектрические пирометры. Комплект термоэлектрического пирометра состоит из термопары, электроизмерительных проводов и вторичного электроизмерительного прибора. Достоинствами таких пирометров являются широкий диапазон измерений, высокая точность, возможность дистанционных измерений, централизация намерений, записи и возможность использования для сигнализации и регулирования.
Вторичные измерительные приборы градуируются для термопар определенного типа. Показания прибора верны только в том. случае, если температура свободного конца термопары в производственных условиях соответствует градуировочной температуре. В противном случае прибор даст неправильные показания и придется вводить в них поправки. Существует ряд способов вычисления, а также ручного и автоматического введения поправок. Рассмотрим некоторые из них.
1) Изменение начального положения стрелки прибора-милливольтметра. Перед измерением стрелка устанавливается при помощи винта- корректора на отметку, соответствующую температуре среды, в которой находится свободный конец термопары.
2) Отнесение свободных концов термопары (холодных спаев) в зону с постоянной температурой. Перемещение свободного конца термопары осуществляется введением в цепь пирометра так называемых удлинительных (пли компенсационных) проводов (рисунок1 ). Один концы удлинительных проводов 7 присоединяются к зажимам термопары, а другие - к медным соединительным проводам 8
Таким образом, свободные концы термопары перемещаются на положения I в положение II.
Постоянство температуры свободных концов обеспечивается опусканием в землю па глубину 3м или помещением в термостат.
3) Автоматическая компенсация погрешности от изменения температуры свободных концов. Осуществляется она несколькими способами, из которых здесь описываются два: введение в схему медного сопротивления (в потенциометрах) и введение компенсирующего напряжения (в милливольтметрах).
.
Рисунок 2.2 - Схема термоэлектрического пирометра:
1, 2 - термоэлектроды термопары; 3 – рабочий конец;
4 – изоляция; 5 – чехол; 6 – головка с зажимами;
7 – удлинительные провода; 8 – соединительные провода;
9 – измерительный прибор; 10, 11 – свободные концы тер
мопары; 12 – термостат.
При рассмотрении схемы автоматического электронного потенциометра было указано сопротивление В₂. Величина его изменяется с изменением температуры прибора, а следовательно, и свободных концов термопары, которая подключается к потенциометру при помощи удлинительных проводов.
Процесс компенсации происходит следующим образом. При повышении
температуры свободных концов разность температур рабочего I и свободного концов уменьшится, а следовательно, уменьшается на величину Е (t₀, t₁) термо-э.д.с. (t₀ — градуировочная температура, t’₂ - температура свободных концов при измерении). При отсутствии медного сопротивления стрелка прибора передвинулась бы на величину погрешности. По при измерении сопротивления R₂ на АН напряжение на нем изменяется на величину ΔU₂ но абсолютной величине равную изменению э. д. с. термопары, по противоположную ей по знаку.
Таким образом, равенство левой и правой частей уравнения сохранится:

Положение стрелки от изменения температуры помещения не изменится. Компенсация введением дополнительного напряжения осуществляется при помощи специальной коробки, содержащей мостовую схему, одно из плеч которой выполнено из меди (остальные из манганина). Одна из диагоналей включена между концами удлинительного и соединительного проводов. При уменьшении температуры свободных концов термо - э.д.с термопары уменьшится, но положение стрелки милливольтметра от этого не изменится, так как в диагонали появляется э.д.с. разбаланса моста, которая является компенсирующим напряжением, по абсолютной величине равным, а по направлению противоположным изменению термо - э. д. с.
Промышленность выпускает несколько типов стандартных термопар, для которых составлены градуировочные таблицы. Термопары носят название в зависимости от электродов, из которых они составляются.
Длина тормоэлоктродов термопары выбирается в зависимости от условий ее установки и достигает 15м. Термоэлектроды изолируются друг от друга стеклянными или фарфоровыми бусами, резиной, шелком, эмалью и т.д.
Рабочая части термопары каждого тина рассчитана на определеннее максимальное давление — от 0,6 до 25 Мн/м².


2.1.2 Термометры сопротивления. Для измерения температуры при помощи термометров сопротивления применяется комплект приборов, состоящий из сопротивления (датчика), помещаемого в исследуемую среду, соединительных проводов, источника питания и измерительного (вторичного) прибора. В качестве датчиков применяют металлические и полупроводниковые термосопротивления. В промышленности вторичными приборами служат логометры и электронные мосты. Выпускаются два типа, металлических термометров сопротивления — медные и платиновые. Рабочая длина их — от 150 до 1900 мм. Арматура термометров рассчитана па давление до 25 Мн\м.
2.1.3 Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано па том, что давление жидкости, газа или пара в замкнутом объеме изменяется закономерно в зависимости от температуры.
Замкнутый объем или система состоит из трех частей (рисунок 2): внутренней полости термобаллона 1, капилляра 2 и трубчатой пружины 3. В зависимости от вида заключенного в замкнутой системе вещества манометрические термометры разделяются на жидкостные с заполненном ртутью, газовые с заполнением инертным газом (азот, гелий) и паровые с заполнением системы низкокипящей жидкостью (хлористый метил, этиловый эфир, фреон, ацетон и др.) и ее парами. При повышении температуры давление паров хлористого метила, заполняющего на треть объем термобаллона 1, повышается.

Рисунок 2.3 - Схема манометрического термометра с сигнальным
устройством.
а – схема; б – общий вид.
1 - термобаллон; 2 – капилляр; 3 – винтовая трубочная
пружина; 4, 7 – оси; 5, 6 – рычаги; 8 – сектора с контакт
ными пластинами; 9 – контактный ползун; 10 – винты за
датчика; 11 – стрелки задатчика; 12 – показывающая
стрелка; 13 – резьба для установки термобаллона.
Геликоидальная трубчатая пружина начнет разворачиваться, поворачивая при этом своим верхним концом ось 4. На оси 4 одним концом закреплен рычаг-поводок 5, который свободным концом поворачивает рычаг 6, а с ним и ось 7. На последней закреплена показывающая стрелка 12 и контактный ползун 9. Ползун скользит по токопроводящим пластинкам, закрепленным на секторах 8, которые выполнены из изоляционного материала. Каждый из секторов 8 жестко связан со своей стрелкой. При помощи винтов 10, выходящих на лицевую сторону прибора, стрелки 11 могут быть установлены на любые отметки шкалы. При повышении температуры сначала замыкается контакт, соответствующий стрелке - минимум, а затем контакт, соответствующий стрелке - максимум, причем первый контакт остается замкнутым.


2.1.3 Термометры расширения. В основу действия термометров расширения положено свойство тел изменять свои размеры в зависимости от температуры.
Термометры расширения можно разделить на три группы: жидкостные, дилатометрические и биметаллические.
Жидкостные термометры. Действие этих термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения жидкости и термометрического стекла, из которого сделана капиллярная трубка. Ими можно намерять температуру от —200 до +500 С. В качестве рабочей жидкости применяются ртуть, спирт и другие жидкости. Наиболее широкое распространение в промышленности получили ртутные термометры. Их устанавливают непосредственно на агрегатах и во избежание поломок заключают в металлическую арматуру.
Для сигнализации о достижении предельной температуры, а также для регулирования температуры применяются ртутно-контактные термометры — термосигнализаторы. Термосигнализаторы выпускаются с магнитной перестановкой контактов и с постоянными впаянными контактами. Контактами служит топкая вольфрамовая проволока. Замыкание контактов осуществляется через столбик ртути, которая заливает кончики проволоки при заданных значениях температуры
Термометры дилатометрические. Действие этих термометров основано па использовании разности удлинений стержней, выполненных из различных материалов. В качество материалов с большим коэффициентом линейного удлинения применяют сталь, латунь, алюминий, а с малым коэффициентом — сплав инвар, кварц.
Для имеющейся схемы автоматического несвязанного регулирования ректификационной колонны, на основе классификационного анализа, в качестве регулятора температуры - кварцевый термометр.
Классическим применением кварца является создание генераторов частоты с очень высокой стабильностью, в частности, температурной. Для этого пластинку кварца выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой влияние изменений температуры на частоту кварцевого генератора минимально. При использовании кварца в качестве датчика температуры, наоборот, пластинку выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазилинейной функцией температуры кварцевой пластинки. Изготовленный таким образом датчик обладает высокими точностью и чувствительностью. Дополнительными достоинствами кварцевого термометра являются высокая точность измерений, независимость от шума, который вносит передача информации, и простота преобразования частотной информации в цифровую.
Термометр данного вида был выбран в виду простой причины. Кварц это кристалл имеющий невысокую цену на рынке товаров и при этом имеет необходимые диэлектрические характеристики, и как было сказана выше- имеет высокую точность и чувствительность, а также независимость от шума, и простота преобразования сигнала.


2.1.4 Конструкция кварцевого термометра. Датчик температуры представляет собой пластинку кварца, помещенную в стальной корпус, заполненный гелием для увеличения тепловой проводимости между кварцем и корпусом датчика

2.2 Расчет регулятора температуры

2.2.1 Электромеханический резонанс кварца. Кристалл кварца SiO₂ имеет форму призмы с пирамидальными концами и гексагональным поперечным сечением. Его структура и анизотропия физических свойств характеризуется тремя системами осей: оптической осью, или осью Z, которая соединяет вершины кристалла, и ортогональными осями, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси Z, тремя осями (называемыми электронными) X, X', X", которые соединяют каждые две противоположные вершины в поперечном шестиугольном сечении; в) тремя осями (называемыми механическими) Y, Y, Y", каждая из которых перпендикулярна противоположным сторонам поперечного сечения.
Из кристалла вырезаются квадратные, прямоугольные или круглые пластинки, свойства которых зависят от их формы, размеров и кристаллографической ориентации. Кварц получается пьезоэлектрическим, когда главные плоскости пластинки перпендикулярны электрической оси. В этом случае наблюдается появление зарядов противоположного знака на противоположных поверхностях пластинки при приложении силы по нормали к ним. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При приложении к противоположным поверхностям пластинки разности потенциалов происходит изменение толщины пластинки (растяжение или сжатие) в зависимости от знака разности потенциалов. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Пластинка может испытывать различные механические колебания, соответствующие различным типам деформации: растяжению, изгибу и сдвигу. Частоты колебаний, которые могут возникнуть, определяются формой, размерами и кристаллографической ориентацией пластинки. Они определяются общей формулой:

где c — модуль упругости, зависящий от кристаллографической ориентации, р — плотность кварца, l — размер пластинки в направлении распространения колебаний и n — целое число-(обычно от 1 до 5).
Если к противоположным поверхностям пластинки приложить переменную разность потенциалов, частота которой равна частоте пьезоэлектрического эффекта, пластинка будет вибрировать, и возникнет явление электромеханического резонанса, сопровождающееся периодическим превращением механической энергии в электрическую и обратно с очень малыми потерями. Добротность Q, характеризующая остроту резонанса, определяется соотношением

Для кварцевой пластинки величина Q имеет очень высокие значения — обычно ~ 10⁴- 10⁵.
Ориентация пластинки относительно осей кристалла определяет ее срез. Так, например, в срезе X, называемом срезом Кюри, поверхности пластинки перпендикулярны одной из осей X. Если приложить переменное напряжение к этим поверхностям, то пластинка будет вибрировать, растягиваясь и сжимаясь. Ее две основные резонансные частоты имеют значения:

где е и l, соответственно, толщина и длина пластинки — в мм.
В среде AT плоскости поверхностей повернуты вокруг оси X и составляют угол приблизительно 35° с осью Z. Такая пластинка может совершать сдвиговые колебания с частотами

где f выражается в кГц, е — толщина в мм и п — целое число. Используются и различные другие срезы; частоты механических колебаний таких пластинок всегда обратно пропорциональны одному из их размеров.
Электроды, с помощью которых подводится разность потенциалов к пластинке, могут быть напылены в вакууме или выполнены из двух прижатых к пластинке кусочков фольги.
Вблизи одной из этих резонансных частот механических колебаний пластинка кварца с электрической точки зрения •представляет собой двухполюсник, состоящий из двух параллельных ветвей. Первая ветвь содержит L, С, R; значения ее параметров .определяются геометрическими, механическими и кристаллографическими характеристиками пластинки. Величина L имеет порядок от нескольких Гн до 10⁴ Гн, С — от 10^-2 до 10^-1 пФ, R — от нескольких кОм до нескольких десятков кОм. Вторую ветвь образует емкость С₀, обусловленная наличием металлических электродов. Отношение С/С₀ обычно находится в пределах 10^-2-10^-3.
Этот двухполюсник имеет две цепи электрического резонанса: последовательную L, С, R с резонансной частотой и параллельную с емкостной ветвью С₀ и индуктивной L, С, R, резонансная частота которой равна

Эти частоты очень близки:

Импеданс Z_q двухполюсника, эквивалентного пластинке кварца, можно представить в виде

Если учесть большую величину коэффициента Q, то практически получим: при f—f_s, X_q = Q R_q имеет минимальное значение, равное R; при f=f_p, X_q = OR_q имеет максимальное значение, равное LC/RC₀².


2.2.2 Сущность кварцевого генератора частоты. Основной составной частью кварцевого термометра является пластина. Кварцевая пластинка, связанная проводами с активным элементом, образует в совокупности генератор. Генератор синусоидальных колебаний состоит из усилителя и цепи обратной связи. Введем обозначения: А—коэффициент усиления усилителя; ф_а — вносимый им сдвиг фазы; β — коэффициент обратной связи, равный отношению амплитуды сигнала, подаваемого на вход усилителя, к амплитуде сигнала на его выходе; ф_г — сдвиг фазы в цепи обратной связи. Согласно критерию Барк-хаузена, для возникновения колебательного режима должны выполняться два условия:

В качестве примера рассмотрим простую схему, в которой усилителем является полевой транзистор, чтобы с ее помощью объяснить два условия существования колебательного режима.
Записав условие равенства напряжения возбуждения v_g на управляющем электроде напряжению на выходе цепи обратной связи, при условии, что R_g значительно больше l/C, получаем:

Отсюда находим условие g_m=R_qC₁C₂, которое определяет активную динамическую проводимость, необходимую для поддержания колебаний. Соотношение для реактивного сопротивления кварцевой пластинки X_q= (C₁+C₂)/C₁C₂, которое должно быть индуктивным, определяет частоту колебаний, заключенную в диапазоне между величинами f_s и f_p.
Устойчивость колебаний кварцевого генератора обусловлена очень высокими значениями производных dXqda) и dp_q/di-в интервале значений от 0 до а_р. Поэтому при случайном отклонении одного из параметров, от которых зависит частота, но не относящихся к кварцу, достаточно незначительного изменения частоты, чтобы величины Xq и dp_q приобрели значения, необходимые для поддержания колебаний.


2.2.3 Чувствительность к температуре кварцевого термометра. С изменением температуры изменяются размеры пластинки, ее плотность и модули упругости, что сопровождается изменением частот механического резонанса и значений параметров L, С, R, являющихся электрическими характеристиками пластинки.
В общем случае имеем:

где Т выражается в °С, или

где A=f(T) - f₀. Значения коэффициентов а, b, d зависят от среза пластинки/
Для срезов ВТ, СТ, DT доминирующим является коэффициент b, и тогда зависимость Af/fo от температуры имеет вид параболы; чувствительность к температуре минимальна при температуре, соответствующей вершине параболы и зависящей от точной ориентации пластинки.
Для среза AT определяющую роль играет коэффициент d, и кривая зависимости Af/f₀ от температуры имеет точку перегиба, в окрестности которой (в пределах нескольких десятков градусов) чувствительность к температуре чрезвычайно мала.
Срез LC (линейный) характеризуется фактически нулевым значением коэффициентов b и d. Поэтому чувствительность резонансной частоты к температуре для него является постоянной величиной

При а = 35,45-10^-6 °С и fo = 28,208 МГц имеем S = 1000Гц/°С.
Для кварцевой пластинки, используемой в качестве датчика температуры, выбирают именно срез 1 °С. Принимая в качестве среднего значения чувствительности в этом интервале температур величину 987,5 Гц/°С, получим погрешность измерения температуры не более ± 5-10 °С.
2.2.4 Методика расчета кварцевого термометра. Кварцевая пластинка, связанная проводами с активным элементом, образует в совокупности генератор, создающий измерительный сигнал. е_m:

где

Кварцевый генератор опорной частоты создает сигнал е_т с частотой /о, практически не зависящий от температуры окружающей среды:

Сигналы е_m и е_r поступают на вход преобразователя частоты, например умножителя, на выходе которого снимается напряжение:

С помощью низкочастотного фильтра отсекаются верхние частоты, учитываемые членом и тогда

Определив с помощью частотомера величину A и зная S, можно найти температуру Т = А/5.
Статическая характеристика кварцевого термометра имеет вид:

Рисунок 2.4 Статическая характеристика кварцевого термометра.

2.3 Модернизация датчика температуры

Основной путь модернизации оборудования это замена устаревшего оборудования на более новое или замена на оборудование с характеристиками выше чем у предыдущего. В нашем случае для проведения модернизации ректификационной колонны требуется замена кварцевого термометра на термометр сопротивления.

2.3.1 Общие характеристики. Основное отличие термометров сопротивления этого типа состоит в том, что их чувствительность к температуре значительно выше (приблизительно в 10 раз), чем металлических. Кроме того, их температурный коэффициент обычно отрицательный и сильно зависит от температуры. Они изготавливаются из смесей поликристаллических полупроводниковых оксидов металлов
Порошки оксидов спекаются в форме под давлением и упрочняются посредством поверхностного обжига при температурах порядка 1000°С в контролируемой атмосфере. Металлические выводы припаиваются к двум точкам предварительно металлизированной поверхности полупроводника. Термистэры выпускаются в виде дисков, цилиндров, колец, шариков. Чувствительный элемент может иметь защитный корпус или капсулу. Высокие значения удельного сопротивления используемых материалов позволяют получить необходимые сопротивления при малой массе и, следовательно, малых размерах (порядка 1 мм). Вследствие этого термисторы имеют малые габариты, что позволяет проводить измерения температуры практически в точке, и малую теплоемкость, т. е. малую инерционность.
Надежность термистора зависит от его конструкции и условий эксплуатации. Защитный корпус или капсула термистора защищает его от химического воздействия и повышает надежность. Следует избегать тепловых ударов, поскольку они могут привести к растрескиванию материала термистора. Температурный диапазон применения термисторов различных типов — от нескольких градусов абсолютной температуры приблизительно до 300 °С. Их можно применять и за пределами этого диапазона, но при этом возникает серьезная опасность существенного изменения номинального сопротивления датчика.
Без специального отбора взаимозаменяемость термисторов одного и того же типа весьма посредственна, поскольку обычные отклонения сопротивления от номинальной величины составляют ±10%.
В общем случае проводимость полупроводника о выражается соотношением:

где и — подвижность, соответственно, свободных электронов концентрации n, и дырок концентрации р. В противоположность металлам, температура которых влияет, главным образом, на подвижность электронов, а их концентрация (плотность) остается постоянной, температура полупроводников влияет, в основном, на концентрацию свободных зарядов. Тепловое движение разрывает межатомные связи и создает элекронно - двоичные пары. Число пар G, образующихся при этом в единицу времени в единице объема, равно

где Т—абсолютная температура полупроводника, - — энергия разрыва одной связи, А и а — константы данного материала. Однако свободный электрон и дырка могут рекомбинировать и восстанавливать связь. Число рекомбинаций в единицу времени в единице объема R пропорционально концентрациям свободных зарядов.

где r — коэффициент рекомбинации. Поскольку n=р (условие образования пар), получаем R—irn². В состоянии равновесия концентрация свободных зарядов постоянна: G=R. Следовательно,

Если учесть влияние температуры Т на подвижности, то проводимость можно представить в виде соотношения

где С и b — характеристические константы материала, значения которых изменяются от 1 до 4, a β = qEi/2k.
Взаимосвязь между сопротивлением и температурой. Формула проводимости о, приведенная в предыдущем разделе, позволяет представить сопротивление в виде:

где Rо — сопротивление при температуре Т₀, выраженное в кельвинах. В соответствии с этой формулой чувствительность к температуре равна

Поскольку в выражении для сопротивления экспоненциальный член является определяющим, это выражение обычно записывают в упрощенной форме:

и полагают, что величина В не зависит от температуры. В этом случае чувствительность к температуре описывается соотношением

где В обычно составляет от 3000 до 5000 К.
Высокая чувствительность термисторов к температуре позволяет применять их для обнаружения и измерения очень малых изменений температуры (от 10^-4 до 10^-3 К). Термисторы можно использовать в диапазоне от нескольких градусов абсолютной температуры приблизительно до 300 °С без каких либо серьезных трудностей, связанных с обеспечением надежности. За пределами этого диапазона необходимо выбирать специальные материалы, например карбид кремния, и использовать защиту от химического воздействия.
Изменение сопротивления в зависимости от температуры может быть очень большим, а измерительная аппаратура обычно применяется с изменением сопротивлений в ограниченном диапазоне. Поэтому термисторы, как правило, используют в довольно узком интервале температур, охватывающем 50-100°С. Если необходимо провести измерения в более широком диапазоне температур, приходится последовательно использовать различные термисторы с соответственно подобранными сопротивлениями.
Для измерения низких температур используют термисторы с малым сопротивлением при температуре 25 °С (например, 50 или 100 Ом), тогда как для измерения высоких температур применяют термисторы со значительным сопротивлением при указанной температуре (например, от 100 до 500 Ом). Окончательный выбор термистора зависит от типа измерительной аппаратуры.


2.3.2 Чувствительность к температуре термометра сопротивления. Обычно величина электрического сопротивления материала зависит от его температуры Т:

где R₀ — сопротивление при температуре Т₀, а функция F является характеристикой материала и равна 1 при Т=Т₀. Так, для металлов
R(T)= R₀(1+AT+BT²+CT³) (32)
где температура T выражается в °С. Для термисторов, изготовляемых, из смесей полупроводниковых оксидов,

где Т — абсолютная температура,
Коэффициенты в законе изменения R обычно известны из серии измерений при нескольких температурах; поэтому, измерив величину R, можно определить температуру термометра.
Для малых изменений температуры AT в окрестности значения Т общую зависимость изменения сопротивления от температуры можно линеаризовать:

- температурный коэффициент сопротивления, или чувствительность при температуре Т. Величина , очевидно, зависит от температуры и материала термометра. Например, при температуре 0°С для платины =3,9-10^-3 °С^-1; для некоторых термисторов —5,2-10^-2 °С^-1. При измерении температуры в окрестности О °С с помощью моста Уитстона, одним из плеч которого является термометр сопротивления, а три других представляют собой резисторы с постоянными сопротивлениями (равными Ro — сопротивлению термометра при температуре 0°С), напряжение разбаланса моста будет равно


При = 2В и АT=1 °С имеем v_m =1,9 мВ для платиновых резисторов и v_m =26 мВ для упомянутого выше термистора. Эти значения значительно превышают э.д. с. термопар, равные f_m = 0,05 мВ для термопары железо — константан и v_m= 0,005 мВ для термопары платинородий (10% Rh)—платина.
Качество измерительной аппаратуры характеризуется минимальной измеримой величиной , которая определяет минимальное измеримое значение изменения температуры

При = 10^-6 измерения в окрестности температуры О °С платиновым термометром сопротивления дают ATmin = = 2,6 10^-4 °С, а рассматриваемым термистором — ATmin = 2,0 10^-5°C.
Кроме температуры, сопротивление зависит также от изменения удельного сопротивления р и геометрических размеров. Для цилиндрической проволоки (длиною / с площадью сечения s) имеем:

где — температурный коэффициент сопротивления материала, и -коэффициент линейного расширения материала.


2.3.3 Методы измерения. С резисторными датчиками используют чаще всего схемы формирования сигнала (потенциометрическая схема с симметричным питанием, мост Уитстона с тремя или четырьмя проводами, источник постоянного тока). Первые две схемы позволяют использовать как нулевой метод отсчета, так и отсчет по разбалансу; при этом в последнем случае следует учитывать нелинейность, когда изменения' сопротивления датчика в зависимости от температуры существенны.
Для высокоточных измерений используют компенсационный метод, который позволяет исключить влияние соединительных проводов. К измеряемому сопротивлению должны быть подсоединены четыре провода — два для тока и два для измерения напряжения на его выводах.
Через неизвестное сопротивление R_x и соединенный с ним последовательно резистор с эталонным сопротивлением R_e течет ток I₁ через прецизионный потенциометр Р течет ток I₁ .Через гальванометр G ток не течет, когда выключатель С₁ замкнут, а выключатель С₂ разомкнут, так что:

когда выключатель С₁ разомкнут, а выключатель С₂ замкнут, имеем:

Если в цепи могут возникать паразитные термо-э. д. с., эти измерения проводят дважды при противоположных направлениях токов /1 и /₂ и находят среднее из двух определенных таким образом значений R_x.


2.3.4 Влияние измеряемого тока. При желании добиться высокой чувствительности измерений приходится существенно увеличивать ток через термометр сопротивления. В результате этого происходит нагрев датчика вследствие эффекта Джоуля, которым уже нельзя пренебречь и который необходимо уметь оценивать и уменьшать до минимума. По этой причине измеряемый ток обычно ограничивают значением порядка 1 мА (реже 10 мА).
Итак, нагрев датчика измеряемым током t вызывает соответствующее изменение его температуры

где T_ci— температура датчика, по которому течет ток i, а Т_с — неизвестная температура, которую имел бы датчик, если бы тока не было. Температура T_ci определяется балансом нескольких тепловых потоков: P_сx — G_сx(Т_x—T_ci)—теплового потока от исследуемой среды; P_ax=G_ac(T_a—T_ci)—теплового потока во внешнюю среду: Pj—Rdi²— теплового потока, обусловленного эффектом Джоуля от измеряемого тока. Величина R_ci представляет собой электрическое сопротивление датчика при температуре Т_сi. При тепловом равновесии сумма этих тепловых потоков равна нулю, из чего следует

Как было показано, для хорошо спроектированного температурного зонда

В этом случае изменение температуры датчика, обусловленное измеряемым током, равно

Если сопротивление R_xc известно, то величина Rd для заданного значения i позволяет вычислить АТ и соответственно уточнить градуировочную кривую датчика.
Значение R_xc в заданных экспериментальных условиях можно определить, выполнив два измерения сопротивления при двух различных значениях тока. Пусть R_Ci_l и R_Ci₂ —сопротивления, измеренные при значениях тока i₁ и i₂ соответственно. Тогда

Для всех других значений измеряемого тока i в одной и той же исследуемой среде величина саморазогрева зонда будет равна:

где — величина сопротивления, измеренного в данном случае. Если сопротивления и различаются незначительно, то применима приближенная формула:

Другой метод исключения влияния измеряемого тока состоит в расчете величины сопротивления датчика, соответствующей току i = 0, по значениям Rd_i и R_ci₂. Расчет основывается на хорошо проверенной гипотезе, состоящей в том, что нагрев достаточно мал и поэтому коэффициент теплопередачи резистора ад можно считать постоянным. Отсюда при токе, равном и, имеем:

Аналогично, при токе i₂

Из этих соотношений получаем

Обозначив i₂/i₁ = n, окончательно находим

На практике необходимость внесения поправки, учитывающей саморазогрев зонда, зависит от требуемой точности измерений. Если известно максимальное значение теплового сопротивления в условиях измерений, то можно рассчитать максимальное значение тока, до которого поправка будет заведомо меньше допустимой погрешности. Если, например, предстоит провести измерение с погрешностью меньше dT = 10^{-1 0}С, то, зная максимальное значение теплового сопротивления , можно определить максимальное значение i, до которого нагрев будет меньше некоторой части.

Отметим, что мощность, рассеиваемая датчиком вследствие эффекта Джоуля, максимальна, если его сопротивление равно сопротивлению питающего его эквивалентного генератора. Если датчик включен в мост Уитстона, который питается источником напряжения, то рассеиваемая мощность будет максимальна, когда сопротивление датчика равно сопротивлению смежного плеча, по которому течет тот же ток.

3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел может преследовать две цели: определение количества вещества в емкости и поддержание уровня в производственном аппарате при осуществлении технологического про­цесса.

В большинство случаев и химической промышленности наме­рение уровня усложняется тем, что производственная аппаратура работает в условиях высоких температур и давлений, а также особыми свойствами контролируемых сред (большая вязкость, химическая агрессивность по отношению к металлам, радиоактив­ность, токсичность и т. д.).
Многообразие требований к измерению уровня привело к необходимости использования широкой номенклатуры приборов, прин­ципы действия которых основываются на самых разнообразных физических законах. В ряде химических производств до сего времени не найдено вполне удовлетворительных решений для измерения уровня.
По характеру работы уровнемеры могут быть непрерывного и прерывистого или релейного действия; в последнем случае измерительное устройство срабатывает при достижении опреде­ленного уровня. Приборы второй группы используются для сиг­нализации и поэтому называются сигнализаторами уровня.
По методу измерения уровнемеры можно разделить на следу­ющие группы: поплавковые, гидростатические, электрические, тепловые, уровнемеры, основанные на изменении условий рас­пространения колебаний (ультразвуковые, радиочастотные, радиа­ционные), уровнемеры со щупом.

3.1 Классификация датчиков уровня жидкости

В результате проведенного анализа литературных источников была разработана классификация уровнемеров по следующим группам (поплавковые; гидростатические; электрические; уровнемеры, основанные на изменении условий распространения колебаний и излучений), представленная на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Классификация уровнемеров
3.1.1 Поплавковые уровнемеры. Поплавковые уровнемеры получили широкое распространение для измерения уровня жидкостей. В этих приборах поплавок плавает на поверхности жидкости и перемещается по вертикали вместе с изменением уровня. Перемещения поплавка передаются на указывающее устройство или датчик для преобразования перемещения в какую-либо электрическую, механическую или другую величину и передачи ее на вторичный прибор, который может находиться на значительном расстоянии от места замера.
На рисунке 3.2, а приведена схема уровнемера с омическим дат­чиком. Величина хода ползунка сопротивления может быть зна­чительно уменьшена при помощи уменьшающей рычажной или шестеренчатой передачи. В качестве вторичных приборов приме­няются логометры и электронные мосты.
На рисунке 3.2, б изображен поплавковый уровнемер с сельсинным датчиком, представляющим собой асинхронный двигатель. При перемещении поплавка барабаны 3, на которые наматывается трос, поворачиваются и заставляют поворачиваться ротор сельсина-датчика 4. С датчиком электрически связан сель­син-приемник, ротор которого повернется на такой же угол, как и у сельсина-датчика 4. В уровнемере, показанном на рисунке 3.2, в, применен индуктивный датчик, сердечник которого связан с поплавком. Вторичным прибором может быть электронный дифференциально-трансформаторный прибор. Для измерения уровня в закрытых сосудах под давлением может быть рекомен­дован поплавковый уровнемер с радиоактивным изотопом, пока­занный, на рисунке 3.2, г. Количество частиц, попадающих на счет­чик 6, есть функция расстояния от поплавка до счетчика, т. е. оно зависит от уровня. Такие уровнемеры применяются для аппаратов, работающих при температурах до 2800° К и давлениях 500-700 Мн/м².

Рисунок 3.2 - Схема поплавковых уровнемеров: