Гидростатические уровнемеры

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

(11.1)

Измерение высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в резервуарах, находящихся как под атмосферным, так и под отличающимся от него давлением. На рис. 11.2, а представлена схема зонда серии MPS фирмы Siemens. Зонд представляет собой трубку 1, внутренняя полость которой сообщается с жидкостью. Таким образом, давление внутри трубки совпадает с давлением жидкости. В нижней части трубки 1 находится измерительная мембрана из нержавеющей стали. Ее деформация вызывает изменение сопротивления тензомоста. Измерительная мембрана, тензопреобразователь и электроника защищены от измеряемой среды колпаком 2. Вентиляционная трубка соединена с пространством под измерительной мембраной и атмосферой. Мягкая трубка 3 может иметь длину до 20 м, в ней размещены несущий тросик а, экранированные токовые выводы б, вентиляционная трубка в диаметром 1 мм. Зонд выдерживает перегрузку до 0,6 МПа, выходной сигнал составляет 4...20 мА, погрешность не превышает ±0,3 %.

 

Рис. 11.2. Схемы гидростатических уровнемеров:

а — погружного зонда: 1 — трубка; 2 — колпак; 3 — мягкая трубка; б — дифманометра с открытой мембраной; 1 — мембрана; 2 — тензопреобразователь; 3 — полость статического давления

 

Практически все фирмы, выпускающие рассмотренные тензометрические (пьезометрические) преобразователи разности давлений, производят дифманометры-уровнемеры с открытой мембраной, например «Метран-43-ДГ», «Метран-43Ф-ДГ, рис. 11.2, б. Вес столба жидкости действует на мембрану 1, жесткий центр мембраны соединен с рычагом мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы) 2. Если резервуар находится под давлением, то газовая часть резервуара соединяется с полостью статического давления 3. У упомянутых преобразователей при верхнем пределе измерения от 4 до 250 кПа выходной сигнал составляет 0...5; 4...20 мА, а предел допускаемой приведенной погрешности равен ±0,25; ±0,5%.

Если в трубке, соединяющей газовое пространство над жидкостью с полостью статического давления преобразователя, образуется конденсат, то для измерения уровня используются дифманометры с дополнительными устройствами для стабилизации уровня конденсата. 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 барботажныи 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. 11.3.

Рис. 11.3. Схема подключения дифманометра при измерении уровня в открытом резервуаре:

1 — уравнительный сосуд; 2 —дифманометр

 

Обе импульсные трубки дифманометра 2 заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разность давлений р₁ и р₂, действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (11.1) можно записать выражения для этих давлений:

 

 

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

 

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

 

где

Из (11.2) и (11.3) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т.е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях также появится, если имеется разность плотностей ρ₁ и ρ₂в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (11.3) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «-») будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н. Для чего на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд 1. Сосуд и импульсная трубка заливаются жидкостью до уровня 00, принятого за начальную отметку шкалы уровнемера. Необходимость установки уравнительного сосуда легко пояснить с помощью рис. 11.4. Предположим, что при R = 0 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 на дифманометр будет действовать перепад т.е. диапазон измерения дифманометра будет использован не полностью).

 

 

Рис. 11.4. Схема образования погрешности при отсутствии уравнительного сосуда

 

При увеличении Н будет расти давление р₁, в плюсовой (нижней) камере дифманометра, что вызовет сжатие плюсовой (нижней на рис. 11.4) мембранной коробки. В соответствии с принципом действия дифманометра это приведет к расширению и увеличению объема мембранной коробки в минусовой (верхней на рис. 11.4) камере (изменение объема коробок на рис. 11.4 заштриховано). Очевидно, что такой же объем жидкости будет вытолкнут из верхней камеры в импульсную линию, что приведет к увеличению уровня в ней на Δ h.

При этом перепад, действующий на дифманометр, Поскольку (11.3), показания уровнемера будут заниженными, причем абсолютная погрешность измерения увеличивается с увеличением контролируемого уровня Н. Установкой уравнительного сосуда большого диаметра можно уменьшить Δ 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.

При большой высоте уровня жидкостей иногда уравнительные сосуды не устанавливаются вообще, так как в этом случае относительная погрешность Δ h/H незначительна (например, в баках химочищенной воды).

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. 11.5 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, что обеспечивает постоянство уровня за счет стока излишков конденсата в барабан. Трубка 3 непосредственно подключается к водяному пространству барабана. Выражение для разности давлений Δ р, измеряемой дифманометром 4, может быть легко получено через давления, создаваемые в плюсовой р₁ и минусовой р₂ камерах дифманометра:

 

Рис. 11.5. Схема уровнемера с однокамерным уравнительным сосудом:

1 — уравнительный сосуд; 2, 3 — импульсные трубки; 4 — дифманометр

 

где ρ_в — плотность воды в уравнительном сосуде и импульсной трубке 2;

р_б — давление в барабане.

Давление р₂ представляет собой р_б и сумму гидростатических давлений столба жидкости h в барабане, имеющего плотность ρ', столба жидкости H₀ в импульсной трубке 3 плотностью ρ_в и столба пара в барабане высотой Н — h и плотностью ρ":

 

Таким образом, перепад Ар, действующий на дифманометр, опре­деляется выражением:

(11.4)

Из (11.4) легко заметить, что показания уровнемера зависят не только от текущего значения, но и от плотностей воды ρ' и пара ρ", 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 оказывает влияние изменения плотности воды ρ_в 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.

Графики, иллюстрирующие изменение показаний уровнемера при отклонении давления пара в барабане от расчетного значения 16МПа при температуре воды в трубке 2 (см. рис. 11.5) равной 20 °С, представлены на рис. 11.6.

 

Рис. 11.6. Графики изменения показаний уровнемера с однокамерным уравнительным сосудом при изменении давления в барабане: 1÷3 — р = (16; 10; 4) МПа

 

Уровнемер измеряет отклонение уровня в барабане от номинального в интервале ±315 мм, следовательно, номинальный уровень на рис. 11.6 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 ρ_в и показаний уровнемера. Уменьшение влияния изменения ρ_в на показания уровнемера может быть достигнуто использованием двухкамерного уравнительного сосуда (рис. 11.7). Внешняя поверхность сосуда 1 покрыта тепловой изоляцией, для того чтобы плотность воды в нем и во внутренней трубке 2 была равна плотности воды в барабане. Для такой схемы выражение для перепада давления, действующего на дифманометр 3, имеет вид

 

(11.5)

 

где ρ' и ρ" — плотности воды и пара в барабане.

 

Рис. 11.7. Схема уровнемера с двухка­мерным уравнительным сосудом:

1 — сосуд; 2 — внутренняя трубка; 3 — дифманометр

 

Таким образом, и при использовании такой схемы показания уровнемера зависят от разности плотностей воды и пара ρ' - ρ", которая определяется режимом работы установки.

Графики, характеризующие изменение показаний такого Уровнемера при отклонении давления в барабане от расчетного давления 10 до 4 и б МПа, представлены на рис. 11.8. 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. 11.8, изменения давления не сказываются на показаниях уровнемера. Это значение уровня больше номинального (для схемы рис. 11.6 оно было меньше номинального).

Рис. 11.8. Графики изменения показаний уровнемера с двухкамер­ным измерительным сосудом при изменении давления в барабане котла: 1÷3 — р = (10; 6; 4) МПа

 

В эксплуатации удобно использовать уровнемер, имеющий минимальную погрешность от изменения давления при номинальном уровне в барабане (т.е. уровне, соответствующем точке 0 на рис. 11.6 и 11.8). Для такого уровнемера линии, характеризующие зависимость показаний от уровня при различных давлениях (линии на рис. 11.6 и 11.8), должны пересекаться в начале координат.

Такие характеристики имеют уровнемеры с комбинированными уравнительными сосудами (рис. 11.9).

Этот сосуд отличается от двухкамерного сосуда тем, что импульс-ная трубка 2 от уравнительного сосуда 1 проходит не через весь сосуд 3, а выведена сбоку. Таким образом, столб воды высотой h находится в холодном состоянии, так как трубка 2 не изолируется. Внешняя поверхность самого сосуда покрыта тепловой изоляцией. В этом случае перепад давления Ар, действующий на дифманометр, определяется выражением

 

 

где ρ_в — плотность воды в трубке 2 на участке h₁.

Из (11.6) видно, что на зависимость Δ р =f(Н) влияет значение h₁. Рекомендуется выбирать из соотношения

 

 

где h_ср — номинальный уровень в барабане относительно нулевой линии 00 (см. рис. 11.9).

 

Рис. 11.9. Схема уровнемера с комбинированным уравнительным сосудом:

1 — уравнительный сосуд; 2 — импульсная трубка; 3 — сосуд

 

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 приведены на рис. 11.10. Как следует из графиков, минимальное влияние изменение давления оказывает практически при номинальном уровне.

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. В микропроцессорных уровнемерах коррекция показаний производится по результатам независимого измерения давления в барабане котла и температуры конденсата в линии.

 

 

Рис. 11.10. Графики изменения показаний уровнемера с комбинированным уравнительным сосудом при

изменении давления в барабане: 1÷3 — р = (16; 10; 4) МПа

 

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. 11.11).

 

 

 

Рис. 11.11. Схема измерения уровня конденсата греющего пара в подогревателях

 

Перепад давления, действующий на дифманометр, определяется выражением

 

или

 

где ρ_в, ρ', ρ" — плотности воды в плюсовой импульсной трубке, конденсата и пара.

Схема измерения уровня в конденсаторе турбины представлена на рис. 11.12. В схеме показан однокамер­ный уравнительный сосуд 1, посредством трубки 2 соединенный с паровым пространством конденсатора 3. Для того чтобы испарение воды в сосуде 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 трубкам 2, 6 в конденсатор. Трубка 6 присоединена к всасывающей трубе конденсатного насоса, уровень h₁ в этой трубке соответствует измеряемому уровню.

 

Рис. 11.12. Схема измерения уровня в конденсаторе турбины:

1 — однокамерный уравнительный сосуд; 2, 4, 6 — трубки; 3 — конденсатор; 5 — дифманометр

 

Перепад Δ р, действующий на дифманометр, определяется выражжением

 

 

Поскольку при давлении в конденсаторе ρ' >> ρ" выражение для перепада давления упрощается:

Δ р = (H - h)ρ'g. В реальных условиях часто необходимо измерять уровень пароводяной смеси, причем пар барботирует через слой жидкости и его количество зависит от режима работы установки (например, уровень в барабанах-сепараторах, парогенераторах). Очевидно, что в этом случае в уравнения перепада давления Δ р, действующего на дифманометр, должна входить не плотность воды ρ', а плотность пароводяной смеси, зависящая от паросодержания. При барботаже пара через слой воды и дырчатый лист создается дополнительный перепад давления, зависящий от конструктивных особенностей барабана и его нагрузки.

Кроме того, образуются вертикальные циркуляционные потоки воды вдоль стенок барабана (т.е. между местами отбора давлений на дифманометр), что также создает дополнительный перепад давления. Эти перепады могут быть определены только экспериментально. Дополнительные трудности измерения уровня в таких объектах связаны с неспокойной поверхностью среды и возможным различным паросодержанием по длине. Частичное уменьшение влияния перечисленных факторов может быть достигнуто установкой в барабан успокоителей (например, вертикальных цилиндров с боковыми отверстиями), к которым подключаются импульсные трубки дифманометров и уменьшением расстояния между местами отбора давлений на дифманометр.

Однако существует сложность измерения уровня в переходных режимах. Например, при резком сбросе давления в барабане из-за увеличения паросодержания начнет повышаться физический уровень смеси, но дифманометр-уровнемер может это не зафиксировать, поскольку уменьшилась плотность пароводяной смеси. Дополнительную опасность представляет возможное вскипание и понижение уровня воды в уравнительном сосуде.

Дифманометры в качестве измерителей уровня нашли применение также и в криогенной технике для измерения уровня криогенных сред. Особенностью под­лючения дифманометров-уровнемеров к емкостям является отсутствие уравнительных сосудов (рис. 11.13). Импульсные трубки выводятся из газовой полости и части, заполненной жидкостью, причем последняя трубка выводится горизонтально для исключения возможного влияния столба жидкости в ней. 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, при этом нижняя импульсная трубка будет заполнена газом. 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 камера с тепловой рубашкой 2, в которую подается греющая среда. Этим обеспечивается надежное испарение жидкости в пространстве под колпачком.

Рис. 11.13. Схема измерения уровня низкокипящих сред дифманометром:

1 — колпачковое устройство; 2 — камера с тепловой рубашкой

 

Верхние пределы измерений или сумма абсолютных значений нижнего и верхнего пределов измерений дифманометров-уровнемеров выбираются из ряда: 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63 м.

Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств: механической прочностью, простотой монтажа, 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.п.

 

Вопрос №4

 

Поплавковые и буйковые уровнемеры

Поплавковым называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести G и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера. Если пренебречь силой сопротивления кинематики и выталкивающей силой газовой фазы, то действующие на поплавок силы связаны уравнением

G = V_ж ρ_ж g

где V_ж — объем погруженной части поплавка;

ρ_ж — плотность жидкости.

Объем V _ж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Δр_ж изменяется объем погруженной части на ΔV_Ж, что приводит к изменению осадка, т.е. к появлению дополнительной погрешности. Выражение для

Таким образом, объем погруженной части V _ж, а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для снижения этой погрешности целесообразно уменьшить осадку поплавка, что может быть достигнуто либо уве­личением площади поперечного сечения поплавка, либо облегчением поплавка.

В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью гибкой механической связи. Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Сила сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера. Такая конструкция имеет большой диапазон измерения, но не обеспечивает хорошей герметизации резервуара, поэтому используется только при небольшом избыточном давлении или разрежении и невысоких температурах контролируемой среды. Примером такого уровнемера являются уровнемеры типа УДУ. Они предназначены для измерения уровня нефтепродуктов с температурой (-50...50) °С, в интервале избыточных давлений (-1,5...3) кПа. Диапазоны измерения 0...12 или 0...20 м, основная погрешность ±4 мм.

При более высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером таких приборов являются магнитные уровнемеры типа ПМП (рис. 11.14) НПП «СЕНСОР».

Рис. 11.14. Схема уровнемера ПМП:

1 — корпус; 2 — кабельный вывод; 3 — зонтик; 4 — стопорное кольцо; 5 — постоянный магнит;

6 — поплавок; 7 — направляющая трубка; 8 — герконовое реле

 

По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок б с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. При диапазоне измерения от 0,5 до 6 м высота уровня измеряется с дискретностью 5 мм. При определении массы для учета изменения плотности жидкости в преобразователе производится измерение температуры. Эти преобразователи могут иметь в качестве выход­ной величины изменение сопротивления, токовый сигнал 4...20 мА или цифровой.

Магнитные поплавки входят в состав ультразвуковых уровнемеров.

Буйковыми называются уровнемеры, основанные па законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) — буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 11.15).

 

 

Рис. 11.15. Расчетная схема буйкового уровнемера

 

Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рис. 11.15 таким элементом является пружина). Увеличивая уровень на Нот нулевого положения 00, уве­личиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается 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):

где с — жесткость подвески;

ρ_ж, ρ_г — плотность жидкости и газа;

F — площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

 

 

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.

При большой жесткости подвески буек перемещаться не будет, однако при изменении уровня изменится усилие, с которым он действует на подвеску. В этом случае при увеличении уровня на h изменение усилия равно hF(р_ж – p_г)g. Такой принцип используется, например, в буйковых уровнемерах типов Сапфир-22ДУ, УБ-Э, ПИУП (ранее УБ-П). Последние уровнемеры снабжены преобразователями с силовой компенсацией (УБ-Э) с унифицированным токовым выходным сигналом, УБ-П и ПИУП с унифицированным пневматическим выходным сигналом).

Схема уровнемера с электросиловым преобразователем изображена на рис. 11.16. Буек 1 подвешен на конец рычага 2, на другом конце которого расположен груз 5, уравновешивающий вес буйка 1 при нулевом уровне (возможен и другой метод компенсации веса). Разделительная мембрана 4 служит для герметизации резервуара.

При изменении уровня изменяется усилие, с которым буек действует на рычаг. Небаланс сил приводит к смещению рычага и сердечника дифференциально-трансформаторного преобразователя, выполняющего функцию индикатора рассогласования ИР. Его выходной сигнал поступает на усилитель У, выходной токовый сигнал которого I_вых поступает на выход прибора и в устройство обратной связи УОС. Последнее представляет собой электросиловой преобразователь, который развивает усилие, устраняющее небаланс сил.

 

Рис. 11.16. Схема буйкового уровнемера с электросиловым преобразователем:

1 — буек; 2 — рычаг; 3 — груз; 4 — разделительная мембрана

 

Уровнемеры УБ предназначены для измерения уровня невязких и вязких, невыпадающих в осадок, не кристаллизующихся сред при давлении — (4... 16) МПа и температурах от -200 до 200 °С, плотность среды (600...2500) кг/м³. Верхние пределы измерений выбираются из ряда от 0,02 до 16 м, основная погрешность ±1; 1,5 %. В уровнемерах для химических производств с пневматическим выходным сигналом типов УБК-1 и ДБУ-1 используется другой тип вывода от буйка — с помощью торсионной трубки, к выводу которой крепится заслонка пневмопреобразователя. Уровнемеры ДБУ-1 используются на средах с температурой 5...230 °С при давлении до 2,5 МПа и плотностью 700... 1410 кг/м³. Верхний предел измерения (0,4...6) м, основная погрешность ±2,5 %.

 

Вопрос №5

 

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 ее уровня.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление ρ < 10⁶ Ом·м и диэлектрическую проницаемость е_ж > 7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. 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.

Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рис. 11.17, а.

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

 

диэлектрическая проницаемость вакуума;

ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство;

Н — высота электродов;

d₁, d₂ — диаметры внутреннего и наружного электродов

На основании (11.7) легко записать выражения для емкости C₁ части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С₂ части, находящейся в газовом пространстве;

 

 

 

где ε_ж и ε_г — относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

 

Рис. 11.17. Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред:

1,2 — электроды; 3 — резервуар; 4 — изолятор

 

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Z _пр, кроме емкостей С1 и С2, определяется также емкостью С_и проходного изо­лятора и его активным сопротивлением R_H (емкость С_и образуется электродами преобразователя на участке а; сопротивление R_H обу­словлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.

Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рис. 11.17, б. Суммарная емкость преобразователя

 

 

Емкость С_и от значения h не зависит, кроме того, для газов ε_г = 1, поэтому

 

 

Таким образом, при ε_ж = const емкость С_пр однозначно зависит от измеряемого уровня h. В реальных условиях ε_ж может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т.п.).

Для уменьшения влияния изменения ε_ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор (рис. 11.18). Здесь 1 и 2 — электроды конденсаторного преобразователя, емкость которого зависит от измеряемого уровня h, и диэлектрической проницаемости ε_ж. Нижняя часть электрода 1 и дополнительный электрод 3 образуют компенсационный конденсатор, который постоянно погружен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от ε_ж. Емкость компенсационного конденсатора используется в элек­тронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

 

Рис. 11.18. Схема преобразователя с компенсационным конденсатором:

1,2 — электроды; 3 — дополнительный электрод

 

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение по сравнению со схемой на рис. 11.17 неизмеряемого уровня, обусловленного высотой h_к электродов компенсационного конденсатора. Отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора (см. R_и на рис. 11.17, б) 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. 11.19, а изображена схема преобразователя, выполненного в виде стержня (электрода) 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. 11.19, б. Зависящую от уровня емкость преобразователя можно представить как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов C₁ 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 C1 Параметр С2 — емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора С,), второй — поверхность резервуара 3. С увеличением h емкость С₂ также растет. Параметр R_ж — активное сопротивление жидкости; С_и, R_и— емкость и активное сопротивление проходного изолятора.

 

Рис. 11.19. Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводящих жидкостей:

1 — стержень (электрод); 2 — изоляция; 3 — резервуар

 

Таким образом, полная емкость преобразователя определяется выражением

 

 

Как и в схеме рис. 11.19, наличие активной составляющей в выходном сопротивлении Z _прпреобр

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: