[02-2009] Учету топлива и масла - современные средства измерения

[Admin]

Учету топлива и масла - современные средства измерения

Когда жидкость, в частности, дизельные топливо или масло транспортируют, хранят или расходуют в процессе эксплуатации тепловоза, требуется контролировать степень заполнения, т.е. уровень, которого достигает находящийся в резервуаре или баке продукт. Информация об уровне жидкости может быть получена двумя способами: в виде непрерывного измерения или указания предельных величин. При непрерывном измерении датчик и схема формируют непрерывный сигнал, несущий информацию о величине уровня жидкости в топливном баке или резервуаре. При этом в каждый момент времени оператор может точно знать объем имеющегося продукта или располагаемый свободный объем резервуара.

Контролирующий прибор, который состоит лишь из датчика, поставляет информацию только о том, что достигнут или отсутствует определенный уровень. Когда указывается верхний предельный уровень, прекращается наполнение и предупреждается перелив через край. Если указывается нижний уровень, то вырабатывается сигнал о необходимости прекратить расходование, например, дизельного топлива, что обеспечивает его минимальный (резервный) остаток в баке. Этим предупреждают аварийные режимы работы тепловоза. Сочетание двух сигнализаторов предельных уровней — верхнего и нижнего — позволяет автоматизировать операции заполнения и опорожнения емкостей.

Один из простейших и наиболее надежных способов определения степени наполнения резервуара или бака — его взвешивание. Это единственный метод, который дает истинное значение массы независимо от того, известны или неизвестны внутренние размеры резервуара. Он пригоден для любого типа содержимого и способен обеспечить высокую точность измерений. Однако прямое использование этого метода для подвижных транспортных средств сопряжено с множеством затруднений, поэтому приходится прибегать к другим, значительно более сложным решениям, применимость которых зависит от сочетания различных требований.

Наиболее общий критерий при выборе методики измерения уровня жидкости в резервуаре или баке — ее физические и химические свойства (электропроводность, диэлектрическая постоянная, плотность, вязкость, пенообразование,
корродирующие свойства и др.). Учитываются также возможное изменение параметров, условия хранения, температуры, давления, требуемые при измерении устройства стабилизации, простота установки прибора и др. (рис. 1).

Рассмотрим краткую характеристику методов измерения уровня жидкости в различных объемах. Конечно, представляемый перечень областей применения и методик измерений не является исчерпывающим. Приводятся только те методы и устройства, которые сегодня используют или могут найти широкое применение в локомотивном хозяйстве российских железных дорог. Все методы измерения уровня в резервуарах или баках можно разделить на непосредственные и косвенные. Непосредственный метод требует минимум затрат, доступен исполнителю любой квалификации.

Мерное стекло — самый популярный измеритель уровня жидкости, который представляет собой цилиндрический сосуд различной вместимости с нанесенными на наружной стенке делениями, указывающими объем в кубических сантиметрах или литрах. Обычно используются мерные стекла диаметром от 5 до 20 мм (рис. 2). Точность градуирования — относительно низкая. Ошибка в определении объема обычно равна наименьшему делению шкалы.

Мерные стекла калибруют на наливание, обычно по 50 л. Емкость, соответствующая любой линии градуировки, определяется как объем воды, содержащийся в баке, когда он наполнен до этой линии градуировки. Все измерения и калибровку выполняют при 20 °С. Чтобы отмерить необходимый объем жидкости, ее наливают в бак или другую емкость до тех пор, пока нижняя точка мениска не достигнет уровня нужного деления. При этом линия взгляда должна находиться на этом же уровне.

Мерные стекла изготавливают из стекла с подходящими химическими и термическими свойствами. Иногда используют прозрачный полиэтилен или полипропилен. Наряду с очевидными преимуществами, мерные стекла имеют несколько недостатков, затрудняющих их использование, особенно на тяговом подвижном составе. Во-первых, точность определения уровня ухудшается субъективным восприятием метки жидкостного мениска. В зависимости от толщины мерного стекла, вязкости жидкости и даже освещения показания такого уровня могут зрительно оцениваться с погрешностью до нескольких миллиметров.

Во-вторых, мерную трубку хорошо располагать лишь у вертикальных стен (бортов, переборок), но ее очень неудобно подносить к наклонным поверхностям. При сильном наклоне мерного стекла на его показания начинают влиять вязкость жидкости и сила смачивания стенок трубки. В-третьих, расположенные на тяговом подвижном составе мерные стекла подвергаются значительным динамическим воздействиям (ударам, вибрациям), что может приводить к появлению трещин и нарушению герметичности. Кроме того, находясь снаружи, мерные стекла подвергаются воздействию вредных факторов окружающей среды, пыли и грязи.

Мерная рейка представляет собой металлический стержень или металлическую полосу с нанесенными на них Рис. 3. Измерение метками, рассчитанными для данного уровня жидкости конкретного резервуара или топливномерной рейкой г0 бака Этот способ измерения является одним из самых простых для контроля уровня жидкости в резервуарах и топливных баках (рис. 3). Измерение сводится к погружению мерной рейки в жидкую среду до строго определенного упора. Каждая мерная рейка подвергается калиброванию.

В Инструкции о порядке и методах измерений при учетных операциях с нефтепродуктами на предприятиях железнодорожного транспорта установлены правила, нормы и способы контроля количества нефтепродуктов при учетных операциях на складах, базах топлива и нефтепродуктов, пунктах экипировки, подвижном составе, чтобы обеспечить учет и эффективность использования энергоресурсов. Инструкция обязательна для предприятий железнодорожного транспорта, работа которых связана с поступлением, хранением, отпуском, использованием нефтепродуктов. При этом указываются средства измерения уровня продуктов переработки нефти в резервуарах и железнодорожных цистернах — метрошток (мерная рейка) с диапазоном измерений 0... 3,3 м. уровнемер с диапазоном измерений 0,4... 12 м, рулетка, снабженная грузом, с пределом измерений до 30 м и погрешностью 2 мм.

Однако здесь даже не будем обсуждать недостатки данного метода измерений, который из-за преимущественно субъективной оценки количества нефтепродуктов в резервуарах и топливных баках создает предпосылки для нецелевого использования нефтепродуктов не только на железнодорожном транспорте. С другой стороны, методы непосредственного измерения уровня не могут использоваться при построении автоматизированных систем учета движения дизельного топлива в пределах депо или отделения дороги. Для этой цели более пригодны методы косвенного измерения уровня, приборы которых имеют электрический выходной сигнал, пропорциональный величине уровня жидкости в баке тепловоза или резервуаре на складе. Кратко представим некоторые из этих методов.

Гидростатические датчики уровня построены на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на элементарную площадку, находящуюся внутри. Если резервуар сообщается с атмосферой, то можно обойтись обычным манометром. Однако когда резервуар закрыт и находится под давлением либо откачивается, для автокомпенсации разности внутреннего и атмосферного давлений используется отсчет показаний дифференциального давления между днищем и свободным пространством в верхней части емкости. Величина гидростатического давления на элементарную площадку (р) зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором (h) и ее плотности (г): Ph = r gh, соответственно, h = p/r-g, что справедливо только для неподвижных жидкостей (рис. 4).

Элемент измерения — пьезорезистивный кремниевый тензомодуль — отделен от жидкой среды разделительной диафрагмой. Совмещенный с элементом электронный усилитель стандартизирует сигнал. Измерительное устройство дополняется датчиком температуры, что дает возможность оперативной температурной коррекции плотности жидкости. Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Гидростатические датчики уровня с температурной компенсацией используются в автоматической системе удаленного контроля параметров работы тепловоза (АСК-ВИС). Датчик уровня может свободно висеть на кабеле или лежать на дне резервуара. Электронная часть датчика преобразовывает сигналы, пропорциональные текущим значениям давления, которое связано линейной зависимостью с величиной уровня измеряемой среды. Погрешность измерения уровня дизельного топлива в баке тепловоза не превышает ±0,8 мм.

Гидростатические измерители уровня подходят как для непрерывного измерения уровня жидкости, так и для сигнализации его предельного значения. В качестве непрерывных датчиков уровня жидкости это самый экономичный вариант.

Магнитострикционные измерители уровня используются для измерения уровня жидкостей с повышенным пыле-, паро- или пенообразованием, низкой плотностью и диэлектрической проницаемостью. Явление магнитострик-ции было обнаружено в ферромагнитных материалах — таких как железо, никель, кобальт и их сплавах.

Основана магнитострикция на магнитомеханических свойствах этих материалов: если ферромагнетик находится в магнитном поле, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется тем, что ферромагнитный материал состоит из огромного количества маленьких элементарных магнитов, которые под воздействием магнитного поля выстраиваются по направлению этого поля.

Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по трубе скольжения, в которой находится волновод — натянутая проволока из магнитострикционно-го материала. Периодически генерируемый электроникой датчика токовый импульс передается по волноводу в направлении поплавка, в котором размещен постоянный магнит. В волноводе, в точке пересе-чения магнитного поля, вызванного токовым импульсом, с магнитным полем поплавка возникает механическая (акустическая) волна, которая движется обратно с ультразвуковой скоростью в направлении измерительной головки датчика. Измеренное время между стартом токового импульса и приходом-возвращением импульса в виде ультразвуковой волны и является точным определением уровня, т.е. расстояния до поплавка (рис. 5).

Длина волноводов может достигать 18 м, поэтому они используются в очень крупных резервуарах. Точка прерывания регистрируется приборами с высокой воспроизводимостью, а также исключительной точностью, достигающей ±0,025 мм.

После установки и настройки устройств дополнительная калибровка не требуется. На волноводе можно разместить два поплавка, благодаря чему магнитострикциционные измерения являются одной из немногих методик, способных обеспечить непрерывное измерение уровня слоев жидкости (например, дизельного топлива или масла поверх воды) при помощи одного прибора (рис. 6).

Магнитострикционно-гидростатический метод измерения массы позволяет определять запас топлива в емкости, уровень подтоварной воды (рис. 7). Датчик давления измеряет давление паров топлива и общее давление в единицах, эквивалентных высоте столба жидкости. Процессор датчика вычитает давление паров топлива из общего измеряемого давления. Для оценки количества топлива в емкости давление, создаваемое подтоварной водой, вычитается из общего, создаваемого всем столбом жидкости. Отношение фактического уровня топлива (измеряемого магнито-стрикционным уровнемером) и давления, эквивалентного высоте столба жидкости, дает значение удельного веса (плотности) топлива в резервуаре.

Дальнейшие вычисления выполняют с температурной поправкой, позволяющей установить среднее значение плотности. Используя данные соотношения высоты резервуара и объема, которые вырабатываются в процессе калибровки резервуара, а также полученное среднее значение плотности, вычисляют массу.

Ультразвуковые датчики уровня получили широкое распространение в промышленной автоматике. Ультразвуковая технология может быть воплощена различными способами, что придает ей эксплуатационную гибкость. Звуковой импульс посылается в резервуар, и момент возврата эхо-сигнала регистрируется датчиком (рис. 8). С учетом влажности и температуры можно рассчитать расстояние до поверхности имеющейся в резервуаре жидкости.

Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала, используют принцип эхолота и подразделяются на две основные группы: ультразвуковые (УЗК) и методы направленного электромагнитного излучения. При известной скорости распространения импульса, измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды.

В простейшем и наиболее распространенном случае, когда УЗК-датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень заполнения вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды (в общем случае необходимо вносить поправку, учиты-

Пвающую разность между реальной высотой установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от дат-Рис. 8. Принцип ра- чика до поверхности контролируемой боты ультразвуково- среды, и обратно, го измерителя уровня Различные типы ультразвуковых датчиков могут монтироваться на стенке резервуара и обеспечивать точечное измерение уровня без проникновения в резервуар. Эхо звукового импульса определяется, если по другую сторону стенки имеется жидкий или твердый материал. В некоторых случаях метод позволяет отличить наполнение до заданного уровня от слоя липкого материала, покрывающего стенки. Это техническое решение особенно полезно в случаях, когда измерения емкости невозможны, и контакт с продуктом, тем более проникновение в резервуар, недопустимы.
Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный УЗК-методом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения. Кроме того, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Отсутствие подверженных износу подвижных механических частей способствует сохранению точностных характеристик и более длительному сроку службы.

Внедрение новейших научных достижений в области электроники и микроволновой техники, двухпроводная технология питания и передачи информации позволили миниатю-ризировать и существенно удешевить уровнемеры, одновременно улучшив их технические и метрологические характеристики. Все это предоставляет возможность создавать автоматизированные системы учета движения дизельного топлива в пределах любого подразделения железной дороги. Данные системы полностью исключают влияние человеческого фактора из процесса учета и распределения дизельного топлива по сравнению с применявшимися ранее более простыми, но менее надежными и точными устройствами.

Д-р техн. наук А.В. ГРИЩЕНКО, профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПСа, г. Санкт-Петербург кандидаты технических наук В.В. ГРАЧЁВ, Ф.Ю. БАЗИЛЕВСКИЙ, доценты, инж. М.А. ГРИЩЕНКО, ассистент

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin