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].

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.

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

(1)

для жидкости

(2)

для раздела фаз

(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

(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.

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.

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.