Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ НАД ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ НА УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПОВЕРКИ УРОВНЕМЕРОВ И СИГНАЛИЗАТОРОВ

Шулаева Е.А. 1 Успенская Н.Н. 1 Алмакаев И.А. 1 Исмоилов Т.Н. 1 Ишкинина Е.Р. 1
1 Филиал ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
В химическом и нефтехимическом производстве для правильного ведения технологического процесса в аппараты устанавливают средства автоматизации для регулирования и поддержания на заданном уровне определенных параметров, таких как температура, расход, уровень, давление. Для измерения уровня в аппарате в зависимости от физических свойств подаваемых и перерабатываемых веществ существуют различные датчики, такие как волноводные, вибрационные, радарные, пневматические, буйковые, поплавковые, ультразвуковые и т.д. Перед установкой датчика в аппарат для регулирования технологического процесса и снятия параметров производят его калибровку и поверку, чтобы выявить наименьшую погрешность и снять более точные данные технологического процесса. В ходе проведения неправильной калибровки или поверки появляются ошибки при снятии параметров технологического процесса, вследствие чего могут возникнуть аварии и данный процесс окажется затратным. В представленной работе поднимается тема поверки уровнемеров. Для решения данного вопроса предлагается применить установку для поверки пневматического датчика уровня и интеллектуального с помощью HART-протокола, а также сигнализатора для отслеживания критического уровня. Данная установка была разработана в филиале УГНТУ в г. Стерлитамаке на кафедре автоматизированных технологических и информационных систем. Установка позволяет с минимальной погрешностью поверить датчики уровня с помощью HART-протокола. Применение данной установки позволяет выявить преимущества интеллектуальных приборов над пневматическими измерительными уровнемерами для изучения принципа их действия. Также её можно применять для наглядного изучения точности показаний, всех достоинств и недостатков каждого прибора, а также для обучения технических специалистов и студентов работе с уровнемерами.
пневматический уровнемер УБ-ПВ
волноводный уровнемер Rosemount
сигнализатор
насос
уровень
емкость
HART-протокол
мультиметр
1. Вильнина А.В., Вильнин А.Д., Ефремов Е.В. Современные методы и средства измерения уровня в химической промышленности: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 84 с.
2. Михеев В.П., Просандеев А.В. Датчики и детекторы: учебное пособие. – М.: МИФИ, 2007. – 172 с.
3. Обзор основных типов уровнемеров, применяемых в современных системах управления технологическими процессами предприятий (АСУТП) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.rossens.ru/obzor_osnovnyh_vidov_urovnemerov.php (дата обращения: 07.08.2017).
4. Измерение уровней жидкостей [Электронный ресурс]. – URL: http://www.studfiles.ru/preview/3220070/ (дата обращения: 07.08.2017).
5. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: учебное пособие. В 5 ч. / А.Г. Дивин, С.В. Пономарев, Г.В. Мозгова. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – Ч. 2. – 108 с.
6. Марков В.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Общие сведения об измерениях, испытаниях и контроле: учеб. пособие. – Орел: ОрелГТУ, 2008. – 40 с.
7. Секацкий В.С., Мерзликина Н.В. Методы и средства измерений и контроля: Учебное пособие. – Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. – 284 с.
8. Шулаева Е.А., Шулаев Н.С., Коваленко Ю.Ф. Имитационно-моделирующий комплекс процесса полимеризации винилхлорида суспензионным способом // Бутлеровские сообщения. – 2014. – Т. 40, № 12. – С. 126–132.
9. Shulaeva E.A., Shulayev N.S., Kovalenko Ju.F. Modeling of the process of electrolysis production of caustic, chlorine and hydrogen // International Conference on Information Technologies in Business and Industry 2016 IOP Publishing IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 803 (2017) 012148.
10. Shulaeva E.A., Kovalenko Yu.F., Shulaev N.S. Simulation and Modeling Software in Chemical Technology: Polymerization of Vinyl Chloride // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – Р. 581–584.
11. Shulaeva E.A., Kovalenko Yu.F., Shulaev N.S. Using Simulation and Modeling Software of Chemical Technology in Education. The 16th International Workshor on Computer and Information Technologies CSIT2014, Sheffield, England, 2014. – Vol. 2. – Р. 175–179.
12. Жданкин В.К. Сигнализаторы изменения уровня // Современные технологии автоматизации. – 2002. – № 2. – С. 6–19.
13. Свид. 2495384 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации российских изобретений, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Установка поверочная линейных перемещений автоматизированная и способ повышения точности вертикальных установок для метрологической аттестации двух уровнемеров одновременно / И.М. Быстров, А.С. Галкин, А.И. Лакеев, Н.Я. Мустаев, Е.М. Равикович; патентообладатель Закрытое акционерное общество «НТФ НОВИНТЕХ» (RU). – 2012114246/28; заявл. 12.04.2012; опубл. 10.10.2013.
14. Измерение уровня. Непрерывное измерение уровня – Волноводные радарные уровнемеры [Электронный ресурс]. – URL: https:// www.siemens-pro.ru (дата обращения: 07.08.2017).

В настоящее время в технологических процессах нефтеперерабатывающей и химической промышленности вместе с необходимостью измерения таких контролируемых параметров, как температура и давление, необходимо также измерение и контроль уровня веществ в закрытых и открытых резервуарах [1, 2].

Среди контрольно-измерительных приборов важное место занимают измерители уровня жидких и сыпучих веществ (уровнемеры) [3]. В связи с развитием и улучшением технологий и приборов, усовершенствованием средств контроля и автоматического управления сфера применения уровнемеров расширяется. В нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности для точного поддержания уровня необходимо применять более совершенные измерители уровня.

На данный момент известно более десятка методов измерения [4, 5], на основе которых могут быть построены измерители уровня, например буйковые, поплавковые, волноводные, радарные, емкостные, ультразвуковые, вибрационные и др. [3]. В последнее время получили значительное развитие волноводные уровнемеры, т.к. эти приборы считаются высокоточными.

Перед установкой датчиков в резервуары необходима их калибровка и поверка [6, 7]. Поверка датчиков уровня – это очень трудоемкий процесс. Существуют следующие методы поверки датчиков уровня: с помощью метроштока по ГОСТ 8.247-2004, измерительной рулетки по ГОСТ 7502-98, приборов, стоящих на определённом уровне, по ГОСТ 28725-90, каретки, а также с помощью программ.

Авторами была поставлена задача продемонстрировать преимущества интеллектуальных измерительных приборов над пневматическими, также рассмотреть поверку интеллектуального датчика в жидкости при помощи HART-протокола и пневматического датчика по манометру.

Описание лабораторного стенда

На кафедре автоматизированных технологических и информационных систем (АТИС) филиала в г. Стерлитамаке ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» была разработана установка для поверки датчиков уровня и сигнализатора. Также в настоящее время идет создание программного обеспечения [8–11] для имитации поверки приборов.

Установка, представленная на рис. 1, позволяет поверить датчики уровня как пневматические, так и интеллектуальные, а также сигнализатор OPTISWITCH 5200 C [12]. С помощью поверки приборов на данном стенде, работы с ними и снятия их показаний можно установить преимущества интеллектуальных датчиков уровня над пневматическими измерительными приборами, изучить работу сигнализатора и получить навыки работы с HART-протоколом, позволяющим не только считывать данные уровня с датчика, но и отображать всю информацию о самом датчике, его значениях уровня, тока, получить регистрирующий график «Токовый выход» для отслеживания промежуточных значений показаний датчика.

Существует ряд патентных установок для поверки уровнемера, в которых поверка приборов производится непосредственным погружением уровнемеров в жидкость: установка поверочная уровнемерная АГТ 244, установка поверочная уровнемерная УПУ-8000, поверочный стенд по патенту CN 200820154368 Y 20090812 (EN) G01F 25/00 (2006.01) [13].

hulaev1.tif

Рис. 1. Общий вид стенда

Главным отличием разработанной авторами установки от всех вышеперечисленных является то, что при поверке задействована программа HART-Master (рис. 2), позволяющая считывать информацию с датчика и поверять приборы с меньшей погрешностью (± 0,5 мм), т.к. настраивается и объем емкости, и шаг считывания значений с датчика. К достоинствам данной установки можно отнести возможность поверки нескольких уровнемеров: и пневматических, и интеллектуальных.

Первым шагом в разработке лабораторного стенда является измерение длины буйка для уровнемера УБ-ПВ. Длина буйка рассчитывается и подбирается равной длине буйка волноводного датчика Rosemount [14]. По данным размерам была изготовлена емкость из оргстекла высотой 900 мм с закрепленной металлической линейкой.

hulaev2.tif

Рис. 2. Вкладка «Информация о датчике» в программе «HartMaster»

Затем был произведен монтаж специального шкафа, где размещены все составляющие данной установки. Внутри шкафа установлена канистра для рабочей жидкости. От канистры к емкости через трубки подсоединены два насоса для налива и слива воды и два электроклапана. Снизу емкость подсвечивается лампой. С лицевой стороны стенда на верхней полке установлены уровнемер УБ-ПВ с подсоединенным манометром, волноводный уровнемер Rosemount и сигнализатор. К уровнемеру Rosemount подключен мультиметр и два светодиода. К манометру присоединена трубка для воздуха, который поступает через редуктор от компрессора. Все электроприборы подключены к блоку питания, расположенному на задней панели. После монтажа стенда проведена настройка всех датчиков и приборов.

Настройка пневматического датчика уровня УБ-ПВ на заданные пределы измерения проводится с помощью грузов путем имитации гидростатической выталкивающей силы, соответствующей верхнему пределу измерений.

Расчетное значение давления, соответствующее верхнему пределу измерений:

Масса грузов уровнемеров

hul01.wmf (1)

для жидкости

hul02.wmf (2)

для раздела фаз

hul03.wmf (3)

где d – диаметр буйка испытываемого уровнемера, см; Нмах – верхний предел измерения уровня жидкости, см; ρж – плотность измеряемой жидкости, г/см3; ρнж, ρвж – плотности соответственно нижней и верхней измеряемой жидкости в случае измерения уровня раздела фаз, г/см3.

Настройка нуля производится установкой буйка на прибор. Максимальное значение достигается путем вычета выталкивающей силы от массы буйка, которая определяется по формуле

hul04.wmf (4)

где Fвыт – выталкивающая сила; π – число Пи (3,14); r – радиус буйка; L – длина буйка; ρж – плотность измеряемой жидкости.

По представленным выше формулам были определены следующие оптимальные параметры: максимальный уровень емкости равен 900 мм; масса буйка равна 1400 г (1,4 кг); диаметр буйка равен 28 мм (2,8 см); длина – 1 м (100 см).

Для поверки уровнемера УБ-ПВ (рис. 3) необходимо фиксировать уровень воды по линейке в каждой поверяемой отметке (0 %, 25 %, 50 %, 75 %), затем снимаются показания образцового манометра со шкалой 1,6 кгс/см2 = 100 % и осуществляется перевод полученных значений давления воздуха в бары.

hulaev3.tif

Рис. 3. Схема стенда для поверки уровнемера УБ-ПВ: М1 – технический манометр на линии питания (1,4 кгс/см2); М2 – образцовый манометр на линии выходного сигнала (0,2–1 кгс/см2); УБ-ПВ – поверяемый прибор; Г – груз

Настройка интеллектуального датчика Rosemount по HART-протоколу происходит следующим образом: заданы высота, диаметр, форма емкости, значение диэлектрической проницаемости для используемой рабочей жидкости, настроен нижний и верхний пределы измерения; введена нужная единица измерения уровня.

Принцип действия стенда схематично представлен на рис. 4.

hulaev4.tif

Рис. 4. Схема лабораторного стенда: 1, 4 – емкость; 3, 5 – насос; 2, 6 – трубки; 7 – пневматический буйковый уровнемер УБ-ПВ; 8 – сигнализатор OPTISWITCH 5200C; 9 – уровнемер Rosemount 5300

Из емкости 4 при помощи насоса 5 происходит подача воды по трубке 6 в емкость 1. Емкость 1 предназначена для измерения уровня воды и поверки приборов. При перекачивании воды в емкость 1 проводится поверка приборов при прямом ходе. По достижении уровня равного 733 мм срабатывает сигнализатор. После поверки приборов в прямом ходе начинается откачивание воды при помощи насоса 3 по трубке 2 в емкость 4 и производится поверка приборов при обратном ходе.

Максимальный уровень емкости равен 900 мм. Поверка приборов происходит при наборе воды со скоростью 0,5 мм/с и скоростью слива воды 1 мм/с, погрешность 0,5 мм. Данные скорости помогают оператору точно отследить уровень воды с минимальной погрешностью.

Заключение

Проведена поверка следующих приборов: уровнемер УБ-ПВ, уровнемер Rosemount 5300, сигнализатор OPTISWITCH 5200C по основным контрольным точкам уровня воды: 0 %, 25 %, 50 %, 75 %. Для каждого прибора были записаны данные и рассчитаны погрешности и вариация. Максимальная относительная погрешность для уровнемера УБ-ПВ равна 1,0 %, что входит в предел допускаемой относительной погрешности равной 1,5 %. Максимальная абсолютная погрешность для уровнемера Rosemount 5300 равна 1 мм, что входит в диапазон допускаемой абсолютной погрешности равной ± 3 мм. Максимальная относительная погрешность для сигнализатора OPTISWITCH 5200 C равна 0,03 %, что ниже предела допускаемой относительной погрешности равной 0,05 %. Таким образом, медленный набор воды помогает точно отследить все контрольные точки для измерения уровня. С помощью HART-протокола по графикам можно определить значения, полученные с датчика в любых контрольных точках, необходимых для поверки прибора.

Таким образом, показано, что установка по поверке уровнемеров работает исправно и с высокой точностью.

В данной статье приведены подходы к разработке стендов для поверки приборов, определения преимуществ интеллектуальных приборов над пневматическими измерительными приборами, описана и рассчитана поверка приборов.

Дальнейшим этапом является разработка программного обеспечения, имитирующего поверку приборов, что позволит качественно повысить возможность восприятия учебного материала, связанного с метрологией студентами высших технических учебных заведений.


Библиографическая ссылка

Шулаева Е.А., Успенская Н.Н., Алмакаев И.А., Исмоилов Т.Н., Ишкинина Е.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ НАД ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ НА УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПОВЕРКИ УРОВНЕМЕРОВ И СИГНАЛИЗАТОРОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 9. – С. 77-81;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36804 (дата обращения: 09.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074