8. измерение уровня



Скачать 301.97 Kb.
Дата26.10.2016
Размер301.97 Kb.
8. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

Измерение уровня жидкостей игра­ет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы обору­дования.

Уровнемеры могут использоваться:

- либо для контроля за отклоне­нием уровня от номинального и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу,

- либо для определения количе­ства жидкости (в сочетании с извест­ными размерами емкости) и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня.
Если нет необходи­мости в дистанционной передаче пока­заний, уровень жидкости можно измерять

1. уровнемерами с визуальным от­счетом (указательных стекол).


При необходимости дистанционного изме­рения уровня используются более сложные уровнемеры:

2. гидростатичес­кие (дифманометрические и барботажные),

3. буйковые и поплавковые,

4. емкостные,

5. индуктивные,

6. радиоизотоп­ные,

7. волновые,

8. акустические,

9. термо­кондуктометрические.

8.1 Уровнемеры с визуальным отсчетом
Такие уровнемеры основаны на ви­зуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контроли­руемого резервуара (рис. 14.1). При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности кото­рых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла дли­ной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанав­ливается несколько стекол в шахмат­ном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.

Рис. 14.1. Схема уров­немера с визуальным отсчетом (см. L8 joonis 14.1)


Основным источником дополнитель­ной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием темпе­ратур (особенно если жидкость в ре­зервуаре находится при высокой тем­пературе, а указательное стекло нахо­дится на значительном удалении). Различие плотностей приводит к раз­личию уровней в резервуаре и указа­тельном стекле (уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем); при этом абсолютная погрешность из­мерения может быть вычислена по формуле:

∆h = h2 – h1 = h2(1 – ρ21)

где ρ1 и ρ2— плотности жидкости в резервуаре и указательном стекле.

Погрешность может достигать суще­ственных значений, поэтому с целью ее уменьшения необходима либо теп­ловая изоляция уровнемера, либо про­дувка его жидкостью из резервуара перед отсчетом.

8.2 Гидростатические уровнемеры

В этих уровнемерах измерение уровня H жидкости постоянной плот­ности ρ сводится к измерению гидро­статического давления р, создаваемо­го жидкостью, причем


p = ρgH (14.1)
Гидростатический уровнемер, в ко­тором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется дифманометрическим.
Гидростатический уровнемер, в ко­тором гидростатическое давление жидкости преобразуется в давление воздуха, называется пневмоуровнемером.

Разновидностью пневмоуровнемера является барботажный уровне­мер, в котором воздух, подаваемый от постороннего источника, барботирует через слой жидкости.


Дифманометрические уровнемеры. Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изобра­жена на рис. 14.2. Обе импульсные трубки дифманометра заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна).

Рис. 14.2. Схема подключения дифманометр при измерении уровня в открытом резервуар


Дифманометр измеряет разность давлений р1 и р2, действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (14.1) p = Hρg можно записать выражения для этих давлений

p1 = (H + h11g ; р2= h2ρ2g.

Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н

∆p = p1 – p2 = (H+h11g – h2ρ2g (14.2)

Если плотности ρ1 и ρ2 жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если h1= h2, то

∆ p = Hρg (14.3)

где ρ= ρ1= ρ2.
Из (14.2) и (14.3) видно, что манометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т. е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды.
Погрешность в показаниях появится также, если имеется разность плотностей ρ1 и ρ2 в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (14.3) справедли­ва только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «—») бу­дет неизменным при изменении конт­ролируемого уровня Н.
Для обеспечения этого на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд. Сосуд и импульсная трубка заливаются жидкостью до уровня 00, принятого за начальную отметку шкалы уровнемера.
Необходимость установки уравнитель­ного сосуда легко пояснить по рис. 14.3., на котором изображена схема уровнемера без уравнительного сосу­да.

Рис.14.3. Схема образования погрешности при отсутствии уравнительного сосуда.


Предположим, что при нулевом значении измеряемого уровня Н уро­вень жидкости в минусовой импульс­ной трубке соответствует линии 00 (очевидно, что убрать минусовую им­пульсную трубку и просто соединить минусовую камеру дифманометра с атмосферой нецелесообразно, так как в этом случае при Н=0 на дифманометр будет действовать перепад ∆p = h1ρg , т.е диапазон измерения диф­манометра будет использован непол­ностью).
При увеличении Н будет увеличи­ваться давление р1 в плюсовой (ниж­ней) камере дифманометра, что вызо­вет сжатие плюсовой нижней мембранной коробки. В соответ­ствии с принципом действия дифмано­метра это приведет к расширению и увеличению объема мембранной ко­робки в минусовой (верхней на рис. 14.3) камере (изменение объема ко­робок на рис. 14.3 заштриховано). Очевидно, что такой же объем жидко­сти будет вытолкнут из верхней каме­ры в импульсную линию, что приведет к увеличению уровня в ней на ∆ h.

При этом перепад, действующий на дифманометр, ∆р'=(Н— ∆h)ρg.


Поскольку ∆р'<∆р (14.3), показания уровнемера будут заниженными, при­чем абсолютная погрешность измере­ния увеличивается с увеличением кон­тролируемого уровня Н.

Установкой уравнительного сосу­да большого диаметра можно умень­шить ∆h , так как один и тот же объем жидкости, вытолкнутой из минусо­вой камеры дифманометра, в широ­ком сосуде вызовет меньшее измене­ние уровня, чем в тонкой импульсной трубке.


В случае измерения уровня агрес­сивной жидкости на импульсных ли­ниях устанавливаются разделитель­ные устройства. При этом дифмано­метр и импульсные трубки ниже разделительных устройств заполняются неагрессивной жидкостью.

Простейшей схемой измерения уровня жидкости в резервуаре под давлением является представленная на рис. 14.4 схема измерения уровня в барабане котла с использованием однокамерного уравнительного сосуда,

Уравнительный сосуд 1 подсоеди­няется к паровому пространству, при­чем и сосуд и труба 2 тепловой изо­ляцией не покрываются. Трубка 3 непосредственно подключается к водя­ному пространству барабана. Выра­жение для разности давлений ∆р, из­меряемой дифманометром 4, может быть легко получено через давления, создаваемые в плюсовой р1 и минусо­вой р2 камерах дифманометра:

Рис. 14.4. Схема уровнемера с однокамерным уравнительным сосудом

p1 = (H +H0) ρвg
где ρв — плотность воды в уравнитель­ном сосуде и импульсной трубке 2.
Давление р2 представляет собой сумму гидростатических давлений стол­ба жидкости h в барабане, имеющего плотность р', столба жидкости Hо в им­пульсной трубке 3 плотностью рв и столба пара в барабане высотой Н—h и плотностью р":

p2 = H0ρвg + hρ`g + (H – h)ρ´´g


Таким образом, перепад ∆р, дей­ствующий на дифманометр, будет оп­ределяться выражением:
∆p = p1 –p2 = [ Hρв – hρ´- (H – h)ρ´´]g = [ H(ρв – ρ´´) – h( ρ´- ρ´´)]g ( 14.4)
Из (14.4) легко заметить, что показа­ния уровнемера зависят не только от текущего значения Н, но и от плотно­стей воды р' и пара р", которые в свою очередь зависят от температуры и дав­ления среды в барабане.

Поэтому рас­чет шкалы дифманометров-уровнемеров производят на рабочее (номиналь­ное) давление в барабане.

Кроме того, на результат измерения будет ока­зывать влияние изменения плотности воды ρв в импульсной трубке, так как при этом изменяется гидростатическое давление столба высотой Н в импуль­сной трубке 2, в то время как давле­ние р1 должно оставаться постоян­ным. Это может происходить при из­менении температуры окружающей среды или температуры среды в бара­бане.
На рис. 14.5 представлены графи­ки, иллюстрирующие изменение пока­заний уровнемера при отклонении давления пара в барабане от расчет­ного значения 16 МПа при темпера­туре воды в трубке 2 (рис. 14.4), рав­ной 20 °С.

Уровнемер измеряет отклонение уровня в барабане от номинального в интервале ±315 мм, следовательно, номинальный уровень на рис. 14.5 со­ответствует отметке 0. Из графика видно, что изменение параметров сре­ды в барабане существенно искажает показания уровнемера, причем эта по­грешность зависит от текущего значе­ния уровня. Минимальное влияние отклонения параметров уровнемер бу­дет испытывать при уровне, соответ­ствующем точке пересечения линий, но этот уровень ниже номинального. Очевидно, что отклонение темпера­туры окружающей среды от расчет­ной (20 °С) вызывает изменение ρв и показаний уровнемера.

Уменьшение влияния изменения ρв на показания уровнемера может быть достигнуто использованием двухкамерного уравнительного сосуда (рис. 14.6). Внешняя поверхность уравнительного сосуда 1 покрыта тепловой изоляцией для того чтобы плотность воды в нем и во внутренней трубке 2, соединенной с водяным пространством барабана, была равна плотности воды в барабане, что обусловит равенство уровня воды h в трубке 2 и действительного уровня воды в барабане hД.



Рис. 14.6. Схема уровнемера с двухкамерным уравнительным сосудом
Для такой схемы выражение перепада давления, действующего на дифманометр 3, имеет вид:
∆p = Hρ`g - [hρ´g + (H – h)ρ´´g] = (H – h)(ρ´- ρ´´)g ( 14.5)
где ρ´ и ρ´´ - плотности воды и пара в барабане.
Таким образом, и при использовании такой схемы показания уровнемера зависят от разности плотностей во­ды и пара ρ'—ρ", которая определя­ется режимом работы установки.


Рис.14.7. Изменение показаний уровнемера с двухкамерным уравнительным сосудом при измнении давления в барабане


На рис. 14.7 представлены графи­ки, характеризующие изменение по­казаний такого уровнемера при от­клонении давления в барабане от рас­четного давления 10 МПа. Погреш­ность уровнемера с двухкамерным уравнительным сосудом, как и с однокамерным, зависит от текущего зна­чения уровня. При определенном его значении, соответствующем точке пе­ресечения линий на рис. 14.7, измене­ния давления не сказываются на по­казаниях уровнемера. Это — значение уровня выше номинального (для схе­мы рис. 14.4 оно было ниже номиналь­ного).
В эксплуатации удобно исполь­зовать уровнемер, имеющий мини­мальную погрешность от изменения давления при номинальном уровне в барабане (т. е. уровне, соответствую­щем точке 0 на рис. 14.5, 14.7). Для такого уровнемера линии, характери­зующие зависимость показаний от уровня при различных давлениях (ли­нии на рис. 14.5; 14.7), должны пере­секаться в начале координат.

Такие характеристики имеют уров­немеры с комбинированными уравни­тельными сосудами (рис. 14.8).



Рис. 14.8. Схема уровнемера с комбинирован­ным уравнительным сосудом


Этот сосуд отличается от двухка­мерного сосуда тем, что импульсная трубка 2 от уравнительного сосуда 1 проходит не через весь сосуд 3, а вы­ведена сбоку; таким образом, столб воды высотой h1 находится в холод­ном состоянии, так как трубка 2 не изолируется. Внешняя поверхность самого сосуда покрыта тепловой изо­ляцией. В этом случае перепад давле­ния ∆р, действующий на дифманометр, определяется выражением:

∆p = [( H – h1)ρ´+ h1ρв]g - [hρ´+ (H – h)ρ´´]g =

= [(H – h) (ρ´- ρ´´) + h1в – ρ´)]g (14.6)
где ρв - плотность воды в трубке 2 на участке h1.
Из (14.6) видно, что на зависи­мость ∆р = f(H) влияет значение h1.
Рекомендуется значение h1 выби­рать из соотношения
h1 = 1,222( H – hcp)
где hcp — номинальный уровень в ба­рабане относительно нулевой линии 00 (рис. 14.8).
На рис. 14.9 hcp соответствует от­метке шкалы 0.

На рис. 14.9 приведены графики зависимости показаний уровнемера с комбинированным уравнительным со­судом от значений уровня при расчет­ном давлении в барабане 16 МПа и при давлении 10 и 4 МПа. Как следу­ет из графиков, минимальное влияние изменение давления оказывает прак­тически при номинальном уровне. -300



Рис. 14.9. Изменение показаний уровнемера с комбинированным уравнительным сосудом при изменении давления в барабане


Следует отметить, что в схемах с двухкамерными уравнительными со­судами важное значение имеет обес­печение равенства температур в бара­бане и сосуде. При любом изменении температуры в сосуде относительно барабана появится дополнительная погрешность, так как будет нарушено основное требование к уравнительным сосудам — стабилизация гидростати­ческого давления в одной из камер дифманометра.


Все три рассмотренные схемы уровнемеров не обеспечивают незави­симости показаний от изменения дав­ления при любом текущем значении контролируемого уровня.

Все рассмотренные схемы подклю­чения дифманометров-уровнемеров могут использоваться для измерения уровня жидкостей в объектах электро­станций или промышленных предприятий.


Конкретная схема измерения определяется условиями работы объ­екта и необходимой точностью изме­рения уровня.

Так, при измерении уровня в подогревателях питательной или сетевой воды электростанций обычно используются однокамерные уравнительные сосуды (рис. 14.10 ).



Перепад давления, действующий на дифманометр, определяется выраже­нием

∆p = [( Hρв – h1ρ´ - (H – h)ρ´´]g
или
∆p = [H(ρв- ρ´´) - h(ρ´– ρ´´)]g
где ρв, ρ´, ρ´´ - плотности воды в плюсовой импульсной трубке, конденсата и пара.

Схема измерения уровня в конден­саторе турбины представлена на рис. 14.11 ( см. L8 joonis 14.11.) .



В схеме показан однокамерный уравнительный сосуд 1, посредством трубки 2 соединенный с паровым про­странством конденсатора 3. Для того чтобы испарение воды в сосуде 1 не приводило к уменьшению уровня, а также для стабилизации температуры воды в плюсовой импульсной трубке в нее непрерывно по трубе 4 через ограничительную диафрагму 5 подает­ся конденсат из напорной линии конденсатного насоса. Избыток конденса­та стекает по напорной линии 2 в кон­денсатор. Трубка 6 присоединена к всасывающей трубе конденсатного на­соса, уровень h в этой трубке соответ­ствует измеряемому уровню.

Перепад ∆р, действующий на дифманометр, определяется выражением
∆р = [Нρ'- hρ'-(Н - h)ρ"]g = (Н - h)(ρ´- ρ")g
Поскольку при давле­нии в конденсаторе ρ´>>ρ´´, то выраже­ние для перепада давления упрощается: ∆р= (Hh)ρ'g.
Дифманометры в качестве измерителей уровня нашли применение также и в криоген­ной технике для измерения уровня низкокипящих сред. Особенностью подключения дифманометров-уровнемеров к емкостям является отсутствие уравнительных сосудов (рис. 14.12 см.L8 joonis 14.12 ).

Импульсные трубки выводятся из га­зовой полости и части, заполненной жидкостью, причем последняя выво­дится горизонтально для исключения возможного влияния столба жидкоcти в трубке. Если нижняя импульсная трубка будет заполнена жидкостью, то при ее испарении порциями возможно колебание давления в измерительной схеме. Во избежание этого отбор дав­ления осуществляется из специально­го колпачкового устройства 1. В этом случае жидкость (за счет притока теп­лоты по импульсной трубке) испаря­ется в полость под колпачком, что ис­ключает пульсацию давления.

В тех случаях, когда разность тем­ператур между контролируемой сре­дой и средой, окружающей резервуар, меньше 50 °С, для уменьшения пульса­ции давления в плюсовой импульсной трубке на ней вблизи резервуара уста­навливается тепловая рубашка 2, в которую подается теплая среда. Этим обеспечивается надежное испарение жидкости в пространство под колпач­ком.
Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств. Такие уровнемеры отличаются

1.меха­нической прочностью,

2. простотой мон­тажа,

3.надежностью.

Но им присущ один существенный недостаток: чувст­вительный элемент дифманометров находится в непосредственном контак­те с контролируемой средой.

При из­мерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо исполь­зования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например вклю­чения в импульсные линии раздели­тельных устройств, продувка импульс­ных линий чистой водой и т. д.

От этого недостатка свободен один из типов гидростатических уровнеме­ров — барботажный пневмоуровнемер (разновидность пневмоуровнемера является барботажный уровне­мер, в котором воздух, подаваемый от постороннего источника, барботирует через слой жидкости).

8.3 Поплавковые и буйковые уровнемеры
Поплавковым называется уровне­мер, основанный на измерении поло­жения поплавка, частично погружае­мого в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при не­изменной плотности жидкости неиз­менна.


Пример поплавкового уровнемера. Уровнемеры поплавковые РУПТ-А, РУПТ-АМ, взрывозащищенные, предназначены: для непрерывного преобразования значения уровня измеряемой жидкости, определения температуры жидких сред, определения объема контролируемой среды в резервуаре с ненормированной точностью

Об уровне судят по положению указателя, соединенного с поплавком гибкой (лента, трос) или жесткой ме­ханической связью. Поплавок переме­щается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его по­ложению может быть определено зна­чение уровня.


При движении поплавка на него действуют следующие силы:

- сила тяжести поплавка G,



- выталкива­ющая сила газовой и жидкой фаз,

- си­лы сопротивления Рс в подвижных элементах уровнемера.

Поплавковые уровнемеры используются для изме­рения уровня в резервуарах при невы­соком избыточном давлении, поэтому выталкивающей силой газовой фазы на поплавок можно пренебречь.

В этом случае силы, действующие на поплавок, связаны соотношением

G ± Рс=Vж ρжg,

где Vж — объем погру­женной части поплавка; ρж— плот­ность жидкости.


Сила сопротивления Рс направле­на против движения поплавка и поэ­тому изменяет знак при изменении направления движения.
Из последнего уравнения можно получить выраже­ние

Vж = ( G ± Рс) / ρжg (14.7)


Объем Vж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка.

При изменении плотности контро­лируемой жидкости на ∆рж изменяет­ся объем погруженной части на ∆Vж, что приводит к изменению осадки, т. е. к появлению дополнительной погреш­ности.

Из (14.7) можно получить вы­ражение для ∆Vж в виде:


∆Vж = (∂Vж /∂ρж ) ∆ρж = - Vж (∆ρж ж)
Таким образом, объем погружен­ной части Vж, а следовательно, осад­ка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную по­грешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для уменьшения этой погрешности це­лесообразно уменьшение осадки по­плавка, что может быть достигнуто 1.либо увеличением площади попереч­ного сечения поплавка, 2. либо умень­шением сил Рс, 3. либо облегчением по­плавка.
Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплав­ка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения тре­буемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения.
Значение сил сопротивления определяется вы­бором схемы связи поплавка с изме­рительной схемой уровнемера.
Наибольшее распространение по­лучили уровнемеры с механической связью поплавка с измерительной схе­мой, причем эта связь может быть об­разована как гибкими элементами (тросом, лентой), так и жесткими (ры­чагом, рейкой).
Использование гибких элементов практически исключено в уровнемерах для сосудов под давлени­ем из-за сложности герметизации вы­водов.
Герметизация проще обеспечи­вается в рычажных уровнемерах, од­нако их недостатком является неболь­шой диапазон измерения — до несколь­ких десятков сантиметров (при гибкой связи диапазон измерения достигает 12 м).
Некоторое распространение име­ют уровнемеры с немеханической связью поплавка с измерительной схе­мой. Например, поплавок может нес­ти ампулу с радиоактивным изотопом, а установленный в верхней части со­суда детектор регистрирует интенсив­ность излучения, пропорциональную удалению поплавка от детектора.

В других конструкциях поплавок мо­жет нести перемычку, закорачивающую по мере изменения уровня две параллельные струны из высокоомного (имеющего высокое сопротивление) материала, расположенные по вы­соте сосуда.


Возможен также индук­тивный способ определения положе­ния поплавка.

В таких уровнемерах поплавок не­сет какой-либо элемент, который мо­жет изменить индуктивность длинной катушки, расположенной по оси сосу­да. Выходным сигналом является ин­дуктивность катушки, которая опре­деленным образом связана с положе­нием поплавка, т. е. со значением уровня. Диапазон измерения индук­тивных поплавковых уровнемеров мо­жет быть увеличен использованием дискретных схем. В этом случае ис­пользуется ряд малых по высоте кату­шек, расположенных в изолированной от жидкости трубе. Перемещаясь вдоль этой трубы, поплавок будет из­менять индуктивность той катушки, рядом с которой он находится, что фиксируется измерительной схемой.


Поплавковые уровнемеры обладают определенными достоинствами:

1.простотой устройства,

2. большим диа­пазоном измерения,

3. достаточно высокой точностью,

4. возможностью измере­ния уровня агрессивных и вязких с широким температурным диапазонов измерения.

Недостатки, ограничивающие их применение:

1. наличие поплавка в резервуаре,

2. трудности измерения уровня в резервуарах под давлением.
Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости.


Рис. 14.13. Расчетная схема буйкового уров­немера


Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) — буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 14.13). Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рис. 14.13 таким элементом является пружина).
При увеличении уровня на h от нулевого положения 00 увеличится выталкивающая сила, что вызовет подъем буйка на х, причем при подъеме его увелчивается осадка, т. е. х<h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h - х):
хс = (h – x)ρжgF – (h – x)ρгgF
где с — жесткость подвески; ρж , ρг — плотность жидкости и газа; F — площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:


х= h /[1+ с/(ρжг)gF] (14.8)
Таким образом, статическая харак­теристика буйкового уровнемера ли­нейна, причем чувствительность его может быть увеличена увеличением F или уменьшением жесткости подвес­ки с.
Из (14.8) легко установить, что при использовании конкретного уров­немера дополнительные погрешности могут возникнуть за счет изменения величин с, F, ρж—ρг. Причиной изме­нения этих величин является измене­ние температуры и давления в со­суде, при этом наибольшей является погрешность, вызванная изменением ρж—ρг.

8.4 Емкостные уровнемеры

Емкостными называются уровне­меры, основанные на зависимости электрической емкости конденсатор­ного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от уровня жидкости.
Конструкция конденсаторных пре­образователей различна для электро­проводных и неэлектропроводных жид­костей.
Электропроводными считают­ся жидкости, имеющие удельное сопротивление ρ <106 Ом·м и диэлек­трическую проницаемость εж ≥ 7.
Раз­личие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей по­крыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропро­водных жидкостей не изолиpованы.
Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней; в качестве элек­трода может использоваться металли­ческая стенка сосуда. Часто применя­ются цилиндрические электроды, об­ладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей техно­логичностью, лучшей помехоустойчи­востью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

На рис. 14.15 , а изображен кон­денсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состо­ящий из двух коаксиально располо­женных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производит­ся измерение уровня.



Рис. 14.15. Схема конденсаторного преобразо­вателя уровня для неэлектропроводных жид­костей

Взаимное расположение электро­дов зафиксировано проходным изоля­тором 4. Электроды образуют цилин­дрический конденсатор, часть меж­электродного пространства которого высотой h заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Н—h — ее парами.

В общем виде емкость цилиндриче­ского конденсатора определяется вы­ражением:



С = 2πεε0H / ln(d2/d1) (14.9)

где εо=8,85· 10-12 Ф/м — диэлектриче­ская проницаемость вакуума; ε — от­носительная диэлектрическая прони­цаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н — высота электродов; d1, d2 — диаметры соответственно внутреннего и наруж­ного электродов.

На основании (14.9) можно записать выражения для емкости С1 части пре­образователя, находящейся в жидкости, и для емкости С2 части, находя­щейся в газовом пространстве:
C1 = 2πε0εжh / ln(d2/d1) ; C2 = 2πε0εг(H –h) / ln(d2/d1)
где εж и εг - относительные диэлект­рические проницаемости жидкости и газа над ней.
Суммарное выходное сопротивление преобразователя ZПP кроме емкостей С1 и С2 определяется также ем­костью Си проходного изолятора и его активным сопротивлением Rи (ем­кость Си образуется электродами пре­образователя на участке а; сопротив­ление Rи обусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.
Таким обра­зом, электрическая схема преобразо­вателя имеет вид, изображенный на рис. 14.15,б. Суммарная емкость пре­образователя

Спр = С1+ С2 + Си.

Емкость Си от значения h не зависит, кроме того, для газов εг ≈ 1, поэтому

Спр = Cи + 2π ε0 / ln (d2/d1)H [ 1 + (εж – 1) h/H]


Таким образом, при εж = соnst емкость СПP однозначно зависит от измеряемого уровня h. В реальных условиях εж может изменяться (например, при из­менении температуры жидкости, ее состава и т. д.).

Для уменьшения влияния изменения εж на показания уровнемера обычно используется компенсационный кон­денсатор (рис. 14.16).



Здесь 1 и 2 — электроды конденсаторного преобразо­вателя, емкость которого зависит от измеряемого уровня h и диэлектричес­кой проницаемости εж. Нижняя часть элeктрода 1 и дополнительный элект­род 3 образуют компенсационный кон­денсатор, который постоянно погру­жен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от εж . Емкость компенсационного конденсатора ис­пользуется в электронной схеме в ка­честве корректирующего сигнала.



Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение по сравнению со схемой на рис. 14.15 неизмеряемого уровня, обусловленного высотой hк электродов компенсацион­ного конденсатора.
Следует отметить, что отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразова­теля. Оно слагается из активного со­противления проходного изолятора (Rи на рис. 14.15,6) и активного со­противления контролируемой жидко­сти в межэлектродном пространстве (обычно значение последнего прене­брежимо мало). Для уменьшения влияния активного сопротивления преоб­разователя в схему уровнемера вклю­чается фазовый детектор.

В конденса­торных преобразователях для электро­проводных жидкостей один электрод выполняется изолированным. Если резервуар металлический, то его стен­ки могут быть использованы в качест­ве второго электрода.

Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металли­ческий неизолированный стержень, вы­полняющий роль второго электрода.


На рис. 14.17.а, изображена схема преобразователя, выполненного в виде стержня 1, покрытого слоем изоляции 2 и погруженного в металлический ре­зервуар 3.


Если пренебречь диэлектрической проницаемостью газов над жидкостью по сравнению с диэлектрической про­ницаемостью изоляции электрода, то электрическую схему преобразователя можно представить в виде, изображенном на рис. 14.17, б.

Зависящую от уровня емкость преобразователя мож­но представить как емкость двух по­следовательно соединенных конденса­торов С1 и С2. Параметр С1 — емкость конденсатора, обкладками которого являются поверхность электрода 1 и поверхность электропроводной жидко­сти на границе с изолятором 2. Ди­электриком этого конденсатора явля­ется материал изолятора. При увели­чении h увеличивается площадь об­кладки — поверхность жидкости, что ведет к увеличению С1 . Параметр С2— емкость конденсатора, одной обклад­кой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора С1), второй — поверхность резервуара 3. С увеличением h емкость С2 также растет. Параметр Rж — активное со­противление жидкости; Си, Rи — ем­кость и активное сопротивление про­ходного изолятора. Таким образом, полная емкость преобразователя опре­деляется выражением

Cпр = Cи + C1C2/ (C1 +C2)



.

Как и в схеме рис. 14.15, наличие ак­тивной составляющей в выходном со­противлении Zпр преобразователя мо­жет привести к появлению погрешно­сти, во избежание чего в схеме уста­навливается фазовый детектор.

В емкостных уровнемерах для изме­рения электрической емкости преобра­зователя используются резонансные и мостовые схемы.
Наиболее простыми являются мосто­вые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (рис. 14.18). Мост состо­ит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр (питаемого гене­ратором Г), емкости преобразователя СПР и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю.

Рис. 14.18. Принципиальная схема электронно­го индикатора уровня ЭИУ


При увеличении уровня емкость Спр рас­тет, разбаланс моста увеличивается и напряжение на входе усилителя воз­растает. Усилителем этот сигнал уси­ливается, преобразуется в унифициро­ванный и измеряется вторичным при­бором ВП. Диапазоны измерения уровнемеров ЭИУ определяются ти­пом преобразователя и могут изме­няться от 1 до 20 м; предел допускае­мой основной погрешности 2,5 %.
Емкостные уровнемеры нашли ши­рокое распространение (достоинства) из-за

1. дешевиз­ны,

2. простоты обслуживания,

3. удобства монтажа первичного преобразователя на резервуаре,

4. отсутствия подвижных элементов,

5. возможности использова­ния в достаточно широком интервале температур (от криогенных до +200 °С) и давлений (до 6 МПа).


К числу недостатков их следует отне­сти

1. непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Па·с),

2. пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей,

3. высокую чувствительность к изменению элект­рических свойств жидкости и измене­нию емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измери­тельным прибором.



http://www.rospribor.com/catalog/view/122.html






База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница