Автоматизация процессов виноделия - Приборы контроля уровня в виноделии

ГЛАВА 15. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современных паросиловых установках винзаводов количество воды, содержащееся между предельными положениями уровня в барабане котла, настолько мало, что при прекращении питания уровень может опуститься за нижнюю отметку в течение 2—3 мин. Отсюда становится ясным значение контроля уровня воды в паровых котлах. Кроме того, в виноделии приходится измерять уровень в мезго- и суслосборниках, в вибростекателях и других технологических объектах.
В технических измерениях уровень жидких и сыпучих веществ контролируется в метрах или миллиметрах.
Устройства, предназначенные для измерения уровня вещества, называются приборами контроля уровня.
Приборы контроля уровня по назначению делятся на две основные группы:

1. уровнемеры жидкостей — для измерения уровня жидких сред;
2. уровнемеры жидкостей и сыпучих веществ — для измерения уровня как жидкообразных, так и сыпучих сред.

УРОВНЕМЕРЫ ЖИДКОСТЕЙ

По принципу действия уровнемеры жидкостей подразделяются на следующие виды: дифманометры (трубные, поплавковые, мембранные, колокольные, кольцевые, сильфонные); поплавковые (буйковые); кондуктометрические, гидростатические (пьезометрические) и пр.
Дифманометры уже рассмотрены в гл. 13, а основы их монтажа при измерениях уровня веществ излагаются в конце данной главы.

ПОПЛАВКОВЫЕ (БУЙКОВЫЕ) УРОВНЕМЕРЫ

Измерительным элементом поплавковых уровнемеров является поплавок (буек), плавающий на поверхности измеряемой среды или погруженный в нее.

Рис. 78. Поплавковый уровнемер — сигнализатор типа СУ-1:
а — внешний вид; б — схема электроконтактного устройства сигнализатора.

Различают поплавковые уровнемеры двух видов: с механической передачей усилия поплавка электроконтактному устройству и с дистанционными передачами (пневматическими или электрическими).

Уровнемеры с механической передачей усилия поплавка электроконтактному устройству.

В этих приборах механическая входная величина (усилие, развиваемое перемещением поплавка) скачкообразно преобразуется в выходной электрический сигнал путем срабатывания контактного устройства. Поэтому такие уровнемеры получили название механических реле уровня (приборы типов РМ-51, СУ-1, СУ-3, ПК-15-СУ-4, РП-40 и др.).
Принцип устройства и действия каждого из названных приборов аналогичен: при определенном значении уровня жидкости в технологическом объекте усилие поплавка через рычажное устройство приводит в действие электроконтактное устройство цепей сигнализации или регулирования уровня. Отличаются приборы друг от друга только внешним оформлением, конструкцией электроконтактного устройства и техническими характеристиками.
На рис. 78,а в качестве примера приведен внешний вид прибора СУ-1, а на рис. 78,б — схема его электроконтактного устройства. Фланец 1 (рис. 78, а) корпуса 2 уровнемера крепится болтовым соединением к стенке технологического объекта. При перемещении поплавка 3 тягой 4 приводится в действие рычажной механизм с электроконтактным устройством, помещенным в корпусе. В зависимости от угла поворота поплавка, а следовательно, и ртутного переключателя 1 (см. рис. 78,б) замыкается одна из трех контактных пар: максимальная 2, средняя 3 или минимальная 4. С помощью зажимов коммутационной колодки 5 контактные пары 2, 3 и 4 включаются в схему управления катушкой магнитного пускателя или лампочками оптической сигнализации (красной, зеленой и желтой).
На заводе-изготовителе прибор настраивается на замыкание средней контактной пары при уровне жидкости на 100 мм выше геометрической оси прибора; возможна также регулировка и на другие положения уровня, но не выходящие за пределы диапазона действия уровнемера (0—0,2 м).
Реле СУ-1 рассчитано на давление измеряемой жидкости не выше 5 кгс/см² и температуру 5—60° С. Допускаемая нагрузка ртутного переключателя не превышает 300 Вт при питании от сети переменного тока 220 В. Габаритные размеры: длина с поплавком 469 мм, диаметр поплавка 150 мм, диаметр фланца 200 мм.
Прибор предназначен для сигнализации и регулирования уровня неагрессивных жидкостей в резервуарах под давлением.
В виноделии уровнемеры с механической передачей усилия поплавка электроконтактному устройству находят применение в основном при автоматизации котельных малой паропроизводительности и насосных станций водоснабжения.

Уровнемеры с дистанционными передачами.

Из уровнемеров с дистанционными передачами наиболее широкое распространение получили приборы типов РУКЦ, РУФЦ, РУЦ и другие. Конструкции и принципы действия этих устройств аналогичны.
Различаются они только конструктивной приспособленностью для монтажа: корпус уровнемера РУКЦ (рис. 79,а) присоединяется к боковой стенке технологического объекта стальными трубами; РУФЦ — с помощью специального фланца. РУЦ выполнен с фланцем для установки его в вертикальном положении, например, на крышке объекта (амфоры, акратофора и пр.).
Устройство и принцип действия прибора — регулятора РУКЦ- 365-40 показаны на рис. 79,б. Усилием поплавка 1, помещенного в камере 2, вызывается деформация кручения стальной трубки 3. В зависимости от направления перемещения поплавка заслонкой 4, кинематически связанной с трубкой 3, при кручении увеличивается или уменьшается степень закрытия отверстия сопла 5. В результате давление сжатого воздуха, которое подводится от импульсной линии 16 через клапан 8 настройки зоны пропорциональности в сопловую трубку 9, изменяется пропорционально отклонению контролируемого уровня в объекте 15. Так как полость сопловой трубки сообщена с камерой 6 мембранного измерительного устройства, положение золотника 7, предназначенного для регулировки давления воздуха в камере над мембраной исполнительного механизма 10, находится также в прямой пропорциональной зависимости от регулируемого уровня жидкости.

Рис. 79. Уровнемеры с дистанционными передачами:
а — общий вид корпуса уровнемера типа РУКИ; б — схема устройства и действия уровнемера типа РУКЦ; в — общий вид буйкового уровнемера с пневматической дистанционной передачей типа УБ-П.

Давление воздуха, поступающего к регулятору и к исполнительному механизму, контролируется манометрами 12 и 11 соответственно.
По принципу действия прибор является пропорциональным регулятором (жесткая обратная связь создается силами упругости трубок 9 и 3). Пределы настройки зоны пропорциональности 5—100% диапазона регулирования.
Для местного и дистанционного контроля уровня регулятор может дополнительно снабжаться показывающим прибором; в таком случае к обозначению типа регулятора добавляется буква Ш, например РУКЦ 365-40-Ш. Это означает, что уровнемер имеет предел регулируемого уровня 365 мм, рассчитан на условное давление 40 кгс/см² и является показывающим.
В комплекте с регулятором поставляются фильтр воздуха 13 и редуктор 14.
Давление воздуха перед фильтром 2—10 кгс/см²; после редуктора 1,2—1,4 кгс/см².
Выпускаются и другие модификации приборов: РУКЦ-800-40, РУКЦ-365-64, РУКЦ-800-64.
На рис. 79, в представлен общий вид буйкового уровнемера с пневматической дистанционной передачей УБ-П, вошедшего в общий комплекс ГСП. Прибор состоит из буйка 1 и пневматического датчика 2 (типа «сопло — заслонка»), преобразующего усилие поплавка в стандартную величину выходного пневматического сигнала 19,6—98 кПа (0,2—1 кгс/см²).
Этот уровнемер характеризуется следующими техническими данными: предел измерения уровня 0—100 мм; класс точности 1 и 1,6; температура измеряемой среды от—40 до +100° С; предельно допускаемое рабочее избыточное давление 100 кгс/см²; температура окружающего воздуха от —50 до +50° С; относительная влажность воздуха не более 80%; давление питания 1,4 кгс/см²; габаритные размеры 304X167X194 мм; масса 15 кг.
В ГСП также предусмотрены буйковые уровнемеры с электрическими (УБ-Э) и электрическими частотными (УБ-Ч) выходными сигналами.

КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

В виноделии кондуктометрические уровнемеры находят применение для автоматического контроля и регулирования уровня воды в напорных баках непрерывно действующих установок получения коньячного спирта. Они могут быть успешно использованы для автоматизации насосных станций водоснабжения и других технологических объектов с неагрессивными и электропроводными жидкостями.
На рис. 80 показан общий вид и схема электрического регулятора — сигнализатора уровня типа ЭРСУ-2. Прибор состоит из силового блока, который помещен в металлическом корпусе 4 (рис. 80,а), и трех кондуктометрических датчиков 1, 2 и 3.
Силовой блок (рис. 80,6) состоит из понижающего трансформатора Т, германиевого выпрямителя ГВ, электрического фильтра С (конденсатора), многоконтактных электромагнитных реле 1P, 2Р, 3Р и лампочек оптической сигнализации 1Л, 2Л и 3Л. На схеме условно показаны также кондуктометрические датчики 1Э, 2Э, 3Э, проводники нулевого потенциала (корпус прибора) и контакты первого и второго реле с соответствующими им обозначениями 1Р1, 1Р2, 2Р1, 2Р2.
Каждый датчик представляет собой металлический стержень (электрод) длиной до 2 м, который изолирован от электропроводных частей головки и штуцера и подключен специальным кабелем к силовому блоку. В качестве другого электрода датчиков используется проводник нулевого потенциала, например, заземленный корпус объекта с контролируемым уровнем жидкости.

Pиc. 80. Электрический регулятор — сигнализатор уровня ЭРСУ-2:
а — общий вид; б — электрическая схема; в — схема электроконтактного устройства.

 Принцип действия прибора заключается в следующем. Когда уровень жидкости находится в положении, показанном на рис. 80, цепи питания реле 2Р и 1Р оказываются замкнутыми через электроды нижнего и среднего датчиков 1Э и 2Э, через жидкость и заземленный корпус технологического объекта. При этом нормально разомкнутые контактные пары 1Р2 и 2Р1 замкнуты, а нормально замкнутые 1Р1 и 2Р2 разомкнуты, горит лампочка 3Л (сигнал о достаточном уровне жидкости в объекте), лампочки 1Л и 2Л не горят. Если уровень снизится ниже датчика 2Э, то реле 2Р обесточится, погаснет лампочка 3Л и загорится 2Л (предупредительный сигнал). При снижении уровня ниже датчика 1Э размыкается контактная пара 1Р2 и замыкается 1Р1, загорается лампочка 1Л (сигнал о низком уровне жидкости) и гаснет 2Л.
Для сигнализации об аварийном значении уровня (перелиbob жидкости в емкость) переключатель прибора ПУ (рис. 80, в) должен находиться включенным в верхнюю позицию В, а датчик ЗЭ устанавливается в плоскости аварийного уровня. Когда жидкостью включится цепь питания реле 3Р, замкнется контактная пара 3Р1 и разомкнется 3Р2. Вследствие этого сработает оптическая или звуковая выносная сигнализация.
Если по технологическим условиям аварийным будет считаться нижний уровень жидкости, датчик 3Э (на рис. 80, а он показан верхним) монтируется ниже рабочих, и переключатель ПУ включается в позицию Н.
На рис. 80, в видно, что свободные контакты реле 1Р и 2Р выведены на зажимы коммутационной колодки силового блока и используются для включения исполнительного механизма.
Прибор ЭРСУ-2 может применяться для неагрессивных электропроводных жидкостей с температурой до 200° С и давлением до 16 кгс/см². Напряжение выпрямленного тока на электродах датчика не превышает 36 В.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Работа гидростатических уровнемеров основана на использовании измерительного элемента пьезометрической трубки. Вот почему те же уровнемеры называются иногда пьезометрическими.

Рис. 81. Схема гидростатического уровнемера.

Принцип действия этих приборов иллюстрируют рис. 81. От компрессора (на рисунке не показан) сжатый воздух через фильтр 1, редуктор 2, ротаметр 3 (PC-3А) поступает в пьезометрическую трубку 4. Редуктор настраивается на такое выходное давление, при котором воздух выходил бы из трубки в жидкость резервуара 5 отдельными пузырьками. Для контроля необходимой стабилизации расхода воздуха пользуются ротаметром.
Разумеется, при неизменяющемся с течением времени удельном весе измеряемого вещества возникающее давление в измерительном элементе будет тем больше, чем больше высота Н столба жидкости. Поэтому шкала дифманометра 6 или манометра, измеряющих давление в пьезометрической трубке, градуируется в единицах уровня.
Пьезометрические уровнемеры могут применяться для измерения уровня и в резервуарах с избыточным давлением, но при этом минусовую трубку дифманометра сообщают посредством импульсной линии с пространством, находящимся над жидкостью.
В виноделии гидростатические уровнемеры в настоящее время не применяются, однако они могут быть использованы для контроля уровня сусла в суслосборниках, воды в напорных резервуарах и т. п.

УРОВНЕМЕРЫ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ

По принципу действия уровнемеры жидкостей и сыпучих веществ разделяются на емкостные, радиоактивные и др.

ЕМКОСТНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

В технике измерений известно много различных типов емкостных уровнемеров: ЭСУ-2М, ЭСУ-1M, МЭСУ-1М, МЭСУ-1В, ЭИУ-1, ДУЕ-2.
Прибор ЭСУ-2М (электронный сигнализатор уровня с двумя емкостными датчиками типа ДЕ) по общему виду и габаритным размерам соответствует прибору, показанному на рис. 80, а. Он предназначен для сигнализации двух предельных положений уровня электропроводных и неэлектропроводных, агрессивных и неагрессивных жидкостей (виноматериалов, сусла, воды и пр.), а также сыпучих материалов (сахара, мела, бентонита и т.п.). Прибор применяется и для автоматического двухпозиционного регулирования уровня в заданных пределах путем замыкания и размыкания электрических цепей с катушками магнитных пускателей, с соленоидными вентилями и другими пусковыми устройствами.
Схема уровнемера ЭСУ-2М (рис. 82) представляет собой два генератора высокой частоты, собранных на двойном триоде 6Н6П, в анодные цепи которого включены реле 1Р и 2Р типа МКУ-48.
Цепь первого генератора состоит из левого триода Л1 и колебательного контура, составленного катушкой Л1 регулируемой индуктивности, конденсаторами постоянной емкости С7, С5, конденсатором регулируемой емкости С3, емкостями верхнего датчика и коаксиального кабеля (кабеля со специальной защитной оболочкой), которым датчик подключается к контуру.
Цепь второго генератора включает правый триод Л2 и соответственно такие же элементы колебательного контура: L2 С6 С4 С8, емкости нижнего датчика и его кабеля.

Рис. 82. Схема электронного сигнализатора уровня ЭСУ-2М.

Генераторы настраиваются с помощью подстроечных конденсаторов С3 и С8 таким образом, что при увеличении емкости датчика на 3—5 пФ вследствие изменения уровня измеряемой среды происходит срыв высокочастотных колебаний — выход работы контура из режима резонанса токов. В результате анодный ток резко увеличивается, вызывая срабатывание реле 1Р или 2Р.
Чтобы устранить взаимное влияние генераторов на работу триода, напряжения на аноды лампы от трансформатора Т подаются в противофазе, что достигается применением фазосдвигающих конденсаторов C1 и С2.
Для сглаживания пульсации анодного тока к -катушкам реле параллельно подключены электролитические конденсаторы С.
Сигнализация уровня осуществляется с помощью сигнальных лампочек 1Л, 2Л, 3Л, питающихся пониженным напряжением от одной из обмоток трансформатора через контактные пары 1Р1, 1Р2, 2Р1, 2Р2 реле 1Р и 2Р. Последовательность включения сигнальных лампочек в зависимости от положения уровня измеряемой среды относительно датчиков следующая:

1. измеряемая среда ниже нижнего датчика. В этом случае оба колебательных контура работают в режиме резонанса токов; по обмоткам каждого реле течет очень малый ток; все контакты находятся в нормальном состоянии (позиция, показанная на рисунке); горит только лампочка 3Л (сигнал «Нижний уровень»);
2. измеряемая среда выше нижнего, но ниже верхнего датчика. Режим резонанса токов во втором колебательном контуре сорван; сработавшим реле 1Р контакты 1Р1 замыкаются, а контакты 1Р2 размыкаются; горит лампочка 2Л (сигнал «Средний уровень») и гаснет 3Л;
3. измеряемая среда достигла верхнего датчика. Произошел срыв режима резонанса токов в первом колебательном контуре; сработало реле 2Р; горит лампочка 1Л (сигнал «Верхний уровень») и гаснет 2Л.

Одновременно с работой сигнализации соответственно замыкаются или размыкаются контактные пары 1Р3, 1Р4, 2Р3, 2Р4 тех же реле, чем обеспечивается управление цепями выносной сигнализации или пусковых устройств электроприводов (насоса, задвижки и т. п.), принадлежащих технологическому объекту с регулируемым уровнем вещества.
Основные технические данные сигнализатора ЭСУ-2М таковы: питание от сети переменного тока 220 В; полная мощность не более 23 В-А; максимальная допустимая погрешность 15 мм; температура контролируемой среды от —60 до 250° С; давление измеряемой среды до 25 кгс/см²; масса не более 4,5 кг.
Прибор ЭСУ-2М комплектуется датчиками следующих основных модификаций:

1. типа ДЕ-4 — для агрессивных материалов. Рабочая длина датчика 150 мм. При заказе прибора для температур от —20 до +60° С завод делает винипластовое покрытие электродов, а для температур от —10 до +110° С, — полиэтиленовое;
2. типа ДЕ-3П — для порошкообразных сред с величиной зерна до 5 мм. Рабочая длина датчика 240 мм. Температура контролируемого вещества от —60 до +150° С, давление — атмосферное;
3. типа ДЕ-9 — для гранулированных сред с величиной гранул до 35 мм. Рабочая длина датчика 200 мм. Допускаемые температуры и давление те же, что и для прибора ДЕ-3П.

Уровнемер ЭСУ-1M в отличие от прибора ЭСУ-2М оснащен одним ламповым генератором и одним реле МКУ-48. Этот сигнализатор служит для сигнализации о достижении жидкой или сыпучей средой заданного уровня.
Приборы ЭСУ-1M при парном монтаже (один включает — другой выключает) применяются и для двухпозиционного управления электроприводами насосов, задвижек, вентилей, кранов и т. п. При одинарном монтаже они также могут обеспечивать включение и выключение электропривода, но только в узком диапазоне отклонения уровня от заданного значения (2— 3 мм), т. е. в пределах зоны нечувствительности регулирования. Следовательно, при одинарном монтаже данные сигнализаторы могут применяться для стабилизации уровня вещества в технологическом объекте.
Модификации датчиков у этих приборов те же, что и у сигнализаторов ЭСУ-2М.
Длина кабеля, соединяющего датчик с ламповым генератором уровнемера, равна 0,7 м, но по особому заказу может быть доведена до 3 м. Погрешность сигнализации уровня 2,5 мм. Потребляемая мощность 15 Вт. Питание от сети переменного тока 220 или 127 В. Габаритные размеры 160Х193X126 мм.

Рис. 83. Дистанционный уровнемер емкости ДУЕ-2.

Малогабаритные электронные сигнализаторы уровня МЭСУ-1М и МЭСУ-1В основаны на том же принципе, что и приборы ЭСУ-1,
но отличаются от них конструктивным оформлением деталей и узлов. Первый приспособлен для взрывобезопасных помещений, второй — для взрывоопасных.
Электронные индикаторы уровня ЭИУ-1 имеют назначение для непрерывного дистанционного и автоматического измерения уровня различных жидких и сыпучих материалов. Приборы основаны на мостовом методе измерения электрической емкости датчика.
Напряжение разбаланса индуктивно-емкостного моста, помещенного в электронном блоке индикатора, подается на показывающий прибор, шкала которого проградуирована в единицах измерения уровня, и на дистанционный показывающий и самопишущий прибор, например, электронный потенциометр типа ЭПД (эти приборы рассматриваются в главе 16). При этом регулирующее устройство потенциометра может применяться для автоматического регулирования уровня.
Дистанционный уровнемер емкости ДУЕ-2 (рис. 83) является прибором новой разработки. Он также основан на использовании равновесия индуктивно-емкостного моста и состоит из емкостного датчика 1 и вторичного преобразователя 2 (электронного блока с мостом).
Приборы ДУЕ-2 предназначены для измерения уровня агрессивных и неагрессивных жидкостей. Основные технические данные этих уровнемеров следующие: пределы измерения 0,6; 0,8; 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 8; 10 м; класс точности 1,6 и 2,5; рабочее давление неэлектропроводной среды 40 кгс/см², электропроводной 64 кгс/см²; температура контролируемой неэлектропроводной жидкости от —40 до +100° С, электропроводной от —40 до + 200°С; питание от сети переменного тока 220 В; мощность не более 6 В-А; габаритные размеры преобразователя 240Х240Х Х120 мм, датчика 230X775 мм; масса 14 кг.

РАДИОАКТИВНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Рис. 84. Радиоактивные уровнемеры УР-4:
а — принципиальная схема устройства и действия; б — внешний вид.

Радиоактивные приборы типов УР-4, УР-6А, РИУ-1, РИУ-2 и др. предназначены для непрерывного дистанционного измерения, регулирования и сигнализации уровня кипящих или бурлящих веществ, уровня раздела двух сред различной плотности: газ — сыпучее вещество, жидкость — жидкость, жидкость — твердое вещество.
По принципу действия перечисленные приборы подобны. 
Поэтому остановимся на особенностях устройства и принципе действия только радиоактивного уровнемера УР-4 (рис. 84). Работа прибора основана на просвечивании измеряемой среды гамма- лучами радиоактивного кобальта (Со60). Технологический объект 1 (рис. 84, а) находится между колонкой 2 источника излучений и колонкой 3 счетчика излучений. Источник и счетчик помещены в каретках (на схеме не показаны), которые могут перемещаться по натянутым проволокам в колонках.
Количество энергии радиоактивного излучения, попадающее на счетчик, находится в прямо пропорциональной зависимости от положения границы раздела двух сред с разной способностью поглощать лучи, т. е. от положения измеряемого уровня. Энергия излучения в счетчике преобразуется в электрические импульсы, а затем в электронном блоке 4 — в сигналы управления реверсивным асинхронным двигателем. Направление вращения двигателя зависит от фазы подаваемого к нему сигнала управления (напряжения) или от направления перемещения контролируемого уровня. Угловое вращение оси электродвигателя через редуктор передается на вход сельсина — датчика самосинхронизирующейся дистанционной передачи, описанной в гл. 12. Последний осуществляет управление движением роторов двух сельсинов-приемников, помещенных соответственно в колонках 2 и 3. Вращение оси каждого сельсина-приемника с помощью редуктора сообщается оси барабана, на котором намотан трос, закрепленный на нем обоими концами и перекинутый в верхней части колонки через ролик. К тросу крепится каретка с источником излучений или счетчиком. В зависимости от положения измеряемого уровня каретки дистанционной передачи синхронно поднимаются или опускаются до тех пор, пока не установятся у границы раздела двух сред.
Колонки имеют показывающую шкалу 1 длиной 1 м (рис. 84,6). На передней панели электронного блока 2 находится шкала 3 с ценой деления 10 мм, используемая для контроля уровня.
С осью сельсина-датчика кинематически связан сердечник дифференциально-трансформаторного датчика вторичного прибора 5 (рис. 84,а), например типа ЭПИД. В связи с этим контролируемый уровень может отмечаться на шкале, записываться на диаграммной бумаге и регулироваться.
Диапазон измерения высоты уровня прибором 0—1000 и 0— 2000 мм; основная допустимая погрешность не выше 5% верхнего предела показаний; питание от сети переменного тока 220В; габаритные размеры каждой колонки 312x370X2435 мм, электронного блока 456x348x265 мм.
Следует отметить, что применение радиоактивных уровнемеров на любом производстве осуществляется со строгим соблюдением требований допускаемого контакта радиоактивных излучений с обрабатываемым продуктом. Правила обращения с радиоактивным препаратом Со60 обязательно приводятся в заводской инструкции, прилагаемой к прибору.
В виноделии радиоактивные уровнемеры могут применяться для контроля регулирования уровня жидкого или твердого топлива в приемных устройствах топливоподачи парокотельных установок.