автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Тепловые контактные преобразователи уровня повышенной точности на тонких теплопроводах для низкокипящих сред

ВВЕДЕНИЕ B.I. Актуальность выбранного направления исследований и формулировка решаемой проблемы

В.2. Доказательства существования проблемы и пути ее решения.П

В.З, Общая характеристика работы

В.4. Выносимые на защиту положения

I. ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕС1Ж ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УРОВНЯ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

1.1. Расчетная модель электропроводящего чувствительного элемента (ЧЭ) теплового датчика уровня и основные допущения.

1.2. Математическая модель ЧЭ теплового преобразователя уровня.

1.2.1. Статическая модель чувствительного элемента

1.2.2. Математическая модель динамики чувствительного элемента.

1.3. Исследование статических свойств чувствительного элемента.

1.3.1. Результаты расчета базовых режимов

1.3.2. Результаты расчета статических характеристик ЧЭ.

1.4. Исследование динамических свойств ЧЭ в базовых режимах на аналоговой модели

1.5. Выводы по главе.

П. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ

2.1. Структурная схема теплового датчика уровня

- я

2.2. Основные источники погрешности преобразования уровня.

2.2.1. Влияние параметров и неинформативных воздействий на функцию преобразования ЧЭ

2.2.2. Влияние параметров и режимов работы датчика уровня на его динамические свойства

2.3. Выводы по главе.

Ш. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УРОВНЯ.

3.1. Критерии качества и задача оптимизации конструктивных параметров и режимов работы ЧЭ

3.2. Минимизация основной погрешности ЧЭ теплового преобразователя уровня.

3.3. Автоматическая коррекция дополнительной погрешности теплового датчика уровня

3.3.1. Метод компенсации дополнительной погрешности от основных неинформативных воздействий

3.3.2. Математическая модель метода компенсации и полная структурная схема теплового датчика уровня

3.3.3. Корректирующие устройства и принципиальная схема датчика уровня

3.3.4. Расчет системы компенсации дополнительной погрешности.

3.4. Эффективность системы автоматической коррекции характеристики датчика уровня низкокипящих сред

3.4.1. Статическая погрешность компенсированного датчика.

3.4.2. Динамическая погрешность компенсированного датчика.

3.5. Выводы по главе.

1У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА ТЕПЛОВОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ ДЛЯ СЖИЖЕННОЙ УГЛЕКИСЛОТЫ (ДУСГ-Т).

4.1. Разработка оптимальной конструкции датчика

4.1.1. Конструкция ДУСГ-Т.

4.1.2. Пакет прикладных программ и расчетные характеристики ДУСГ-Т.

4.2. Исследование теплового преобразователя уровня на лабораторной установке

4.2.1. Метод градуировки теплового датчика уровня

4.2.2. Результаты лабораторных исследований

4.3. Экспериментальная проверка некоторых характеристик ДУСГ-Т на полупромышленной установке

4.4. Применение ДУСГ-Т на изотермических транспортных цистернах с сжиженным С0£ и направления дальнейших исследований

4.5. Выводы по главе.

B.I. Актуальность выбранного направления исследования и формулировка решаемой задачи

Одной из основных задач, поставленных КПСС на одиннадцатую пятилетку, является повышение эффективности общественного производства и ускорение научно-технического прогресса на основе широкого внедрения передовой техники и технологии /I/. В промышленности важнейшими путями повышения производительности труда и качества продукции является интенсификация технологических процессов за счет применения машин, агрегатов большой единичной мощности и крупнотоннажности, разработка технологий, использующих новые материалы и энергоносители, совершенствование автоматизированных систем управления такими процессами.

В условиях эксплуатации этих установок и процессов расширяется необходимость в производственных аппаратах и емкостях для накопления исходных, промежуточных и конечных продуктов производства с последующим их хранением, транспортировкой и расходованием.

Автоматизация процессов наполнения, транспортировки, хранения и опорожнения различных накопителей позволяет целесообразно управлять материальными потоками, участвующими в технологическом процессе, и осуществлять учет сырья и готовой продукции.

Вместе с тем, повышение эффективности СУ такими технологическими процессами необходимо для обеспечения базопасных условий труда и работы оборудования, так как во многих случаях отсутствие материала в аппарате, бункере, резервуаре может привести к аварийным ситуациям, нарушению технологического процесса и даже разрушению агрегата.

Технологические процессы в машиностроении, пищевой промышленности, энергетике, медицине и ряде других отраслей в настоящее время все шире используют низкотемпературные среды, такие как различные сжиженные газы. Широкое внедрение безбаллонного способа транспортировки и хранения различных низкотемпературных жидкостей, необходимость обеспечения безопасных условии эксплуатации транспортных и стационарных изотермических сосудов, ускорения их оборачиваемости и повышения производительности труда операторов требуют повышения уровня автоматизации процессов их наполнения и опорожнения этими средами и получения требуемой первичной информации о наличии и расходовании жидкости в технологическом процессе.

В связи с этим повышение эффективности СУ :г. ТП, применяющими безбаллонный способ транспортировки и хранения низкотемпературных носителей, является актуальным.

Основная информация о состоянии технологических процессов, в которых используются различные накопители сырья, промежуточного и готового продукта, содержится в данных о их количестве, получение которых наиболее просто и достаточно точно осуществляется с помощью определения уровня этих сред в сосудах.

4 ч

Так,например, для резервуара нефтепродуктов емкостью 10 м погрешность определения массы с помощью датчика уровня состав

-10. ляет -8 т, что в пять раз меньше, чем при гидростатическом способе.

Поэтому большинство отечественных и зарубежных разработок, посвященных получению информации для систем управления о массе вещества в резервуарах, основаны на использовании преобразователей уровня /82/. Так,например, на нефтеперерабатывающем заводе компании "Эссо стандарт ойл" применение первичных преобразователей уровня в системах управления процессами наполнения и опорожнения резервуаров позволило ускорить их оборачиваемость и коэффициент использования, за счет чего резер-вуарная емкость увеличена на 4,6$ /94/.

Отсюда ясно, что эффективность использования различных емкостей и резервуаров во многом определяется качеством первичных преобразователей, дающих информацию о степени их наполнения, которая характеризует и условия безопасной эксплуатации таких сосудов.

Опыт эксплуатации изотермических сосудов-накопителей показал, что вследствие внешних теплопритоков теплофизическое состояние находящихся в них сред изменяется в довольно широких пределах /30,170/. Это приводит к отклонению рабочих условий функционирования датчиков уровня, в особенности для сжиженных газов, от расчетных и появлению в связи с этим значительных погрешностей преобразования, снижающих качество получаемой информации.

Таким образом, для повышения эффективности СУ технологическими процессами, использующими безбаллонный способ транспортировки и хранения низкотемпературных жидкостей и сжиженных газов, одной из основных является проблема повышения точности и расширения пределов преобразования датчиков уровня в широком диапазоне рабочих условий стационарных и транспортных изотермических сосудов.

В. 2. Доказательства существования проблемы и пути ее решения

Уровень среды в различных накопителях представляет собой один из основных технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, который определяет оптимальность процесса и обеспечивает учет в хранилищах и промежуточных емкостях количества того или иного материала. Сфера применения преобразователей уровня с совершенствованием технологических процессов, развитием средств централизованного контроля и автоматического управления все время расширяется. Об этом можно также судить по количеству использования датчиков уровня относительно общего числа первичных преобразователей в различных отраслях народного хозяйства /20/.

Таблица B.I

Применение датчиков уровня по отраслям промышленности

Отрасль промышленности

Датчиков уровня,%

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая

Химическая

Газовая

Нефтяная

Металлургия

Стройматериалов

10 8 8 9 9

- 12

Резервуарные парки для отстоя и хранения нефти должны снабжаться датчиками уровня раздела сред "вода-нефть" для управления качеством протекания технологического процесса -сброса подтоварной воды. Уровень жидкости в системах водоснабжения и очистки сточных вод нефтеперерабатывающих и химических заводов представляет собой один из основных технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию .(в резервуарах, насосных станциях, дренажных системах и пр.,)". /75/. Аналогичные проблемы регулирования уровня возникают в гидрометаллургии, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Одной из основных задач управления выпарных установок является поддержание ее материального и энергетического баланса. Функциональная схема СУ выпарной установки приведена на рис.В.1. В соответствии со схемой материальный баланс поддерживается регулятором уровня, изменяющим расход выпариваемого раствора, поступающего в аппарат. Стабилизация уровня одновременно обеспечивает оптимальную работу теплообменника греющей камеры выпарного аппарата /59/.

При автоматическом управлении процессом ректификации возникает задача обеспечения устойчивой работы ректификационной колонны, для чего необходимо поддерживать равенство питания и суммы расходов дистиллата и кубового продукта, т.е. материальный баланс. Это достигается с помощью системы стабилизации уровней в ректификационных аппаратах (рис.В.2 .). При этом расход одного из продуктов стабилизируется локальной системой, а регулированием расхода второго поддерживается общая производительность установки /27,59/.

Так, по данным /27,36/, среди девятнадцати регулируемых

Рис о В. I Функциональная схема СУ простейшей выпарной установки

1-кипятильнак; П-вшарной аппарат; Ш-барометрический конденсатор; I-регулятор давления греющего пара; 2-стабилязяруязщзй регулятор уровня? в выпарном аппарате; 3-регулятор разрежения в выпарном аппарате; 4-регулятор концентрация упаренного раствора

- 14

Охлаждающая бода

Конденсат жидкость

Рис.В.2 Упрощенная функциональная схема СУ ректификационной колонны

I - ректификационная колонна ; П - конденсатор ; Ш - флегмовая емкость

I - регулятор уровня кубового остатка ; 2 - стабилизирукгип регулятор питания колонны ; 3 - регулятор давления в колонне • t - РегУлят°Р расхода охлаждающей води в конденсатор ; 5 - регулятор состава низкокипящего компонента ; G - регулятор Dacxona флегмы на орошение колонии ; 7 - регулятор уро нядкстиля^а во флегмовои емкости ; 8 - регулятор расхода готового прода

Р^е^гточноП фракции ; отаопд11ол1>у1и1ц11л ^ег/куоово.1 аддеоотп. ■ параметров ректификационных колонн блоков разделения воздуха тринадцать представляет собой уровни в различных элементах установок .(рис.В.З ). Причем, поддержание в определенных пределах уровня кубовой жидкости в верхней и нижней колоннах установок разделения воздуха во многом определяет качество получаемого продукта - чистоту кислорода и азота.

В производстве сжиженной углекислоты поддержание необходимых уровней продуктов и полупродуктов, участвующих в технологическом процессе, является одним из условий обеспечения безопасной эксплуатации углекислотных установок /30,98,105/.

Анализ аварий со взрывами транспортных цистерн и баллонов со сжиженными газами показывает, что их основной причиной является переполнение изотермических сосудов сверх установленной нормы либо из-за полного отсутствия контроля заполнения, либо из-за выхода из строя датчиков уровня /3,105/.

Системы автоматизации процесса получения низкотемпературного углекислого газа среди прочих регулируемых величин обеспечивают поддержание уровней в ресивере высокого давления и вихревом разделителе фаз, что предотвращает проскок газообразного углекислого газа в накопитель Хрис.В.4-/).

В настоящее время отечественная приборостроительная промышленность выпускает более 200 типов датчиков уровня, которые обеспечивают измерение, сигнализацию и регулирование уровня жидких, сыпучих сред, обладающих различными физико-химическими и теплофизическими свойствами, находящимися при давлениях до 32 МПа и температурах от - 200 до + 650°С с предельными значениями уровня до 20 м.

Однако существующие преобразователи уровня по своим техническим характеристикам не всегда удовлетворяют потребностям

-4 Oi

Поел• тирс танд&ра.

Ряс.В.З Упрощенная функциональная схема автоматизации блока разделения воздуха

I-азотный т/о: П-конденсатор колонны сырого аргона; Ш-колонна сырого аргона: 1У-выносной конденсатор; У-дефлегматор; У1-верхняя колонна; У11-основной конденсатор; У1Н-нязняя колонна; ГХ-дереохяадптель; "

А-азот; В-воздух; I^-кпслород; Ар-аргон; г-газообразный; z-жидкий; р-регулировочный; сырого

ТК из аргона; ^^v v. конденсаторе;

8-рёгулятор расхода в верхнюю колонку; 9-рогулятор чистоты жидкого кислорода. коыррёсвору

CSpSQ гаьо Свг

Рис .В .4 Функциональная схема СУ технологическим процессом ня?котешературного СО2

I-ре сив ер высокого давления; П-вихревой разделитель фаз; Ш-стационарный накопитель (Н2У)

I-сигнализатор давленая еидкого С0?; поступающего на дросселирование; 2-ручноевключение подачи СОп в ресивер высокого давления; ° ное. подключение дополнительных накопителе; конитель; 6-регулятор проя зводительно с пленяя в заправляв ^-сигнализация степени фаз. могл транспортном сосуде; 9-защита от переполнения транспортного сосуда; ени заполнения НКУ; II-сигнализация упуска уровня в вихревом разделе

- 18 народного хозяйства. Например, по данным /29/ необходимые характеристики датчиков уровня для сжиженных газов должны удовлетворять условиям работы при Р = 3 4- 10 МПа с точностью сигнализации - 5 мм, а имеются в настоящее время датчики, предназначенные для работы при давлении до 2 МПа и имеющие точность сигнализации - 10 мм.

Принцип действия преобразователей уровня жидкостей основан на различных методах измерения, однако, наиболее эффективное применение того или иного метода может быть реализовано только при учете конкретных условий его работы и особенностей физико-химических и теплофизических свойств контролируемой среды.

Классификации современных методов преобразования уровня различных сред посвящено достаточное количество работ /66,67, 73,74,115,136,152/, наиболее полные из которых включают до 10 классификационных групп, содержащих от двух до шести различных типов чувствительных элементов. Такое разнообразие принципов построения датчиков и методов преобразования уровня обусловлено разнообразием сред, различием их физических и других свойств, особенностями условий эксплуатации, метрологическими требованиями. Из этого ясно, что практически невозможно назвать какой-либо из методов преобразования уровня универсальным.

Все применяемые в настоящее время первичные преобразователи уровня сжиженных газов по принципу действия можно разделить на следующие группы в соответствии с классификацией /136/:

- гидростатические ;

- механические (поплавковые) ;

- теплорые ;

- кондукт оме триче ские ;

- акустические ;

- радиоактивные ;

- емкостные.

Сравнительный анализ указанных методов преобразования уровня низкокипящих сред выполнен в /14I/.

В.2.1. К гидростатическим преобразователям можно отнести клингерные стекла, дифманометрические и пьезометрические датчики .(рис.В.5). .

Существует много работ, в которых исследованы датчики данного типа, рассмотрены их преимущества и недостатки и определена область их применения /20,67,74,94,109,147/. Одним из основных недостатков гидростатических преобразователей уровня является необходимость тепловой изоляции сообщающихся сосудов и применение специальных способов, предотвращающих замерзание камер дифманометра. Продувка пьезометрических датчиков газом приводит к повышению давления в управляемом сосуде и загрязнению находящегося в нем продукта, что, естественно, сокращает сроки хранения сжиженных газов. Таким образом, применение подобных способов преобразования уровня для сжиженных газов и особенно в условиях транспортных сосудов практически невозможно.

В.2.2. Механические преобразователи уровня, к которым можно отнести поплавковые и буйковые /4,67,109,131/, в настоящее время применяются наиболее широко (рис.В.6);'.

Механическим датчикам присущ ряд недостатков, связанных с принципом их действия, использующим механическое перемещение чувствительного элемента. Применение их на сосудах, рабо ' \ а) визуальный б) дифманометричеокий

Рис.В.5 Гидростатические преобразователи уровня

91=5: f чшк? со о а) поплавковый о индуктивным б) поплавковый с магнитной в) буйковый с преобразователем связью w — - J V А » « яым преобразователем унифицировав-. зователеа Ш)

Рис.В.6 Механические преобразователи уровня тающих под давлением, требует герметизации подвижного вывода, либо перехода на магнитную связь с внешними устройствами. При низких температурах очень часто механическая часть обмерзает, что приводит к полной потере информации об уровне жидкости в сосудах. Использование таких преобразователей на транспортных сосудах вызывает повышенные требования к качеству механических подвижных частей. Поэтому, несмотря на значительную простоту подобных устройств, их применение резко сократилось как в СССР, так и за рубежом /109/.

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

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

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

-о Д моле. овнемер

6) оигнализатор о электродами

Ряо.В.7 Кондуктометрячеокяе преобразователи уровня

II [

1 I' --- Т

ИП- ищчатль-приемник колебаний

Г/7- генгоатой-прео&разеоатель ъ- Время прохождения leoaM а) акустический жя$

ИП1 , б) ультразвуковой го го

Рис.В.8 Акувтяческие я ультразвуковые преобразователи уровня

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

В.2.5. Радиоактивные датчики уровня (рис.В.9)/ исследованы достаточно полно /20,74,78,82,110,115,147/ и широко применяются в производствах, требующих бесконтактного измерения. Однако их эксплуатация, требующая эффективной защиты обслуживающего персонала от радиоактивных излучений и соответствующего оборудования помещений, в которых расположены датчики, а также необходимость реализации преобразователей непрерывного действия и высокая стоимость аппаратуры ограничивают их применение стационарными установками, на которых требуется осуществить сигнализацию достижения предельных уровней с помощью у- реле. Кроме того, применение радиоактивных преобразователей рекомендуется там и тогда, где измерение другими способами значительно затруднено или невозможно /НО/.

В.2.6. В основу преобразования уровня жидкости емкостным методом положено отличие в значениях диэлектрической проницаемости жидкости и газа, наполняющих датчик, представляющий собой электрический конденсатор (рис.В.10) . Пожалуй, из всех применяемых в настоящее время датчиков уровня, емкостные привлеки приемки* ^ П

ИИИ

ИИИ- измеритель интенсив- ^ ности излу-К чениЯ

РА- офрсибный двигатель to чщц&тш vfi/И з) с вертикальным излучением б) со следящей системой (СС) в) сигнализатор стреле (IP) Ряс.В.9 Радиоактивные преобразователя уровня а) для не электропроводных сред б) для электропроводных сред

Рис.В.10 Емкостные преобразователи уровня

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

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

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

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

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

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

В последние годы значительное внимание уделено разработке

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

Оригинальные конструкции тепловых преобразователей разработаны и исследованы в СССР Д.И.Агейк~"мм /5/, В.С.Поповым /97/, Д.В.Беляевым /70/, Р.К.Азимовым /7,9/ и др. За рубежом ряд конструкций разработали J.HLdub /1А9/,L.S.Ko-Sthet" ,

AMhweLL .

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

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

Вопросы теории и расчета отдельных конструкций преобразователей с тепловыми параметрами (ПТП) изложены в /5,Я5,64, 70,71,116,124,1Я5,149/. Наибольшее место в этих исследованиях занимают преобБазователи расхода и влажности, а также вопросы классификации ПТП. В соответствии с /7/ ПТП являются преобразователями параметрического типа, в которых энергия измеряемой среды, взаимодействуя с вспомогательной энергией источника о использованием многоцелевых тепловых преобразователей

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

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

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

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

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

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

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

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

II11TTt If I w i I t . 1-1

Рис.В.12 Функциональная схема ПТП тЖючувствительный элемента ТЧЭ i °£гнал ЙЭ ; а- энергия контролируемой 1 пИтя 1 $ - энергия вспомогательного источника теплового ТепАоВые яреофаэоёател/ уро&иц

Рг

Дискретные (сигнализатору)

Непрерывные (цроЪ'игмеры)

Js $ Точечные

Трубчатые

•f^l Стержне it^e

ПроШочные fill Прямого. подогрева

Косвенного подогрет

Термоэлектричео- m sft

Термокроматч-

Термоманом^три- ргзиогпиВпыз

1 1 § 1 пз i | у 0 1

С теплообменом через пром& Жугпо чную ср$3у

СнепойредйглВеН' ным тепло

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

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

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

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

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

В США тепловые датчики уровня выпускаются серийно с I960 г. /73/. Основные принципы построения приборов с использованием термисторов изложены в работах сотрудников фирмы "Мюл-лард" (США) /148,150/, которая разработала тепловые сигнализаторы уровня сжиженного газа в сосуде Дьюара. За рубежом некоторые фирмы, из которых можно указать FafnLr (фрг) ,WooJJeffrey, Ltd. (Великобритания) , Franklin Systemс^(сша) ,0hnart Corporation (США)специализируются на выпуске серийном только тепловых преобразователей уровня /14/.

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

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

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

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

I) Дискретные б) термоэлектрический iR pf нагрей

Bi термоманометричеокий г)резистивный с косвенным д) проволочный с прямым подогревом подогревом и теплообменом ЧЭ через промежуточную среду подогревом

2) Непрерывные Рис.В.14 Тепловые преобразователи уровня I а

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

В некоторых случаях, когда инерционность первичного преобразователя не играет существенной роли, применяются термоманометрические датчики /7Д1/. Основным их недостатком являются значительные габариты, вызывающие существенное запаздывание в показаниях, а, следовательно, значительную динамическую погрешность. Для уменьшения этой погрешности необходимо увеличивать мощность вспомогательного подогрева, что становится неэкономичным и приводит к значительному притоку тепла, что для низкотемпературных сред является недопустимым.

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

Наибольший интерес, с точки зрения получения непрерывной информации об уровне,представляют первичные преобразователи, выполненные в виде вытянутых по высоте термочувствительных элементов .(выделены на рис.В.13). Из таких датчиков можно указать терморезистивные преобразователи уровня с разделенными нагревателем и чувствительным элементом /111,151/ и совмещенными нагревателем и термочувствительными элементами /24,144/. Первый вид преобразователей отличается тем, что в процесс теплообмена вовлекается значительная масса материала (окружающей среды и различных конструктивных элементов самого преобразователя). Это приводит к увеличению инерционности и динамической погрешности и вызывает необходимость расходования большого количества вспомогательной энергии на подогрев преобразователя, что снижает метрологические свойства датчика и ухудшает его экономические показатели.

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

Все эти преимущества обусловили широкое применение преобразователей уровня в виде тонких проволок в лабораторных условиях и в научных исследованиях /7,92/. Однако до настоящего времени практически отсутствуют исследования по свойствам подобных преобразователей, источникам их инструментальных и методических погрешностей, путям улучшения этих характеристик, обеспечивающих требования систем управления технологическими процессами. Вопросы выбора конструктивных и режимных параметров решаются до сих пор чисто интуитивно, либо на основе экспериментальных исследований каждой конкретной конструкции, требующих больших затрат времени, что снижает эффективность разработок и внедрения датчиков рассматриваемого класса.

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

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

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

- 38 сред и сжиженных газов - действительно имеет место.

В.З. Общая характеристика работы

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

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

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

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

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

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

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в создании на основе разработанной математической модели статики и динамики принципов синтеза теплового преобразователя уровня .(ТПУ) ; установлении зависимостей степени линейности статической характеристики и величины основной погрешности преобразования от режимных и конструктивных параметров ТПУ ; создании способа компенсации дополнительной погрешности преобразования уровня , его математической модели и алгоритма расчета параметров компенсирующих устройств с оценкой их эффективности.

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

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

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

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

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

1.5. Выводы по главе

1. Исследованный чувствительный элемент теплового датчика уровня является параметрическим преобразователем стационарного режима без подвижных механических элементов с линейным внутренним источником вспомогательного теплового поля. Выходным информативным параметром ЧЭ является изменение его активного сопротивления.

2. Применение основных законов теплообмена нагретого тела с окружающей его средой для одномерной задачи, представлен

- 80 ной в интегральной форме, к расчетной схеме теплового преобразователя уровня позволяет получить уравнения математических моделей статики и динамики ЧЭ с погрешностью допущений не более 2%.

3. Математическая модель статики дает возможность выявить составляющие векторов параметров ЧЭ и неинформативных воздействий и исследовать их влияние на статические свойства преобразователя.

4. Разработанная методика расчета безовых режимов и статических характеристик преобразователя позволяет выбрать наиболее экономичный режим работы и определить условия максимальной чувствительности по основному информативному каналу.

5. Установлено, что статическая характеристика преобразователя является линейной при температурных напорах до 4К с погрешностью не более 0,015$. При этом крутизна характеристики не зависит от геометрических параметров ЧЭ.

6. Создана в линейном приближении математическая модель динамики преобразователя, на основании которой получены передаточные функции ЧЭ по различным каналам и составлена его структурная схема, позволяющая провести исследования на аналоговой модели.

7. Динамические свойства преобразователя уровня по всем каналам определяются временной постоянной части ЧЭ, находящейся в газовой фазе контролируемой среды, которая примерно в десять раз больше, чем временная постоянная части ЧЭ, расположенной в жидкости.

8. Необходимым условием сходимости коэффициентов уравнений статики и динамики является учет взаимного влияния между частями ЧЭ по каналам и . Причем, наибольшее влияние на динамические свойства преобразователя оказывает канал

9. Статические и динамические свойства преобразователя определяются одними и теми же параметрами и неинформативными воздействиями.

10. Математическая модель позволяет исследовать влияние конструктивных параметров, режимов и условий работы ЧЭ на его статические и динамические характеристики и выявить основные причины, вызывающие отличие реальной функции преобразования теплового датчика уровня от номинальных.

ГЛАВА П

1. Определение преобразованной величины уровня Н выполняется с помощью измерительных устройств, имеющих градуиро-вочную характеристику, обратную функции преобразования /21/:

2. Таким образом, из (2.1) возникает задача определения информативного параметра выходного сигнала ЧЭ абсолютного активного сопротивления или его относительного изменения, характеризующего условия, влияющие на изменение

3. Структурная схема теплового датчика уровня

4. Задача измерения активных сопротивлений исследована многими авторами /145,60,80,85,86,129/.

5. Из этих соображений в качестве схемы, обеспечивающей дальнейшее преобразование информативного параметра датчика

6. S^Ry , наиболее целесообразно принять одинарный равноплечий мост, в два противоположных плеча которого включены одинаковые ЧЭ. Питание моста осуществляется от источника постоянного тока (ИПС) со стабилизированным напряжением U-.

7. На основании приведенных соображений структурная схема рассматриваемого теплового датчика уровня имеет вид рис.2.1.

8. Естественно, что каждое из преобразований выполняется с некоторой погрешностью, величина которой определяется параметрами структурных элементов, режимом и условиями их работы.

9. Основные источники погрешности преобразования уровня

10. Для определения значения входной преобразуемой величины по значению информативного параметра выходного сигнала датчикаdi