Термокоидуктометрические уровнемеры

Термокондуктометрическими называются уровнемеры, элементом электрической цепи которых является нагреваемый током резистор с большим температурным коэффициентом электросопротивления, электрическое сопротивление которого зависит от уровня жидкости. Принцип действия таких уровнемеров основан на разли­чии условий теплообмена в жидкостях и газах. Чувствительный элемент таких уровнемеров представляет собой протяженный терморезистор, электрическое сопротивление которого определяется его температурой, причем чувствительность преобразователя увеличивается с ростом температурного коэффициента электросопротивления материала.

Термокондуктометрический преобразователь помещается в резервуар таким образом, что часть его находится в жидкости, остальная часть — в газовом пространстве (рис. 11.30). При изменении уровня изменяется длина этих участков. Так как в общем случае температура жидкости и ее паров может быть одинаковой, то происходит подогрев преобразователя. Прямой подогрев осуществляется проходящим через преобразователь током постоянной силы. При косвенном подогреве преобразователь должен иметь дополнительный подогреватель.

Рис. 11.30. Схема термокондуктометрического преобразователя уровня

Принцип действия термокондуктометрического преобразователя заключается в использовании различия теплоотдачи от нагретого терморезистора к жидкости и газу, вследствие чего участки его, находящиеся в жидкости и газе, имеют различную температуру и, следовательно, различное сопротивление. Таким образом, суммарное их сопротивление будет определяться уровнем. Предположим, что при отсутствии жидкости «сухой» преобразователь имеет температуру t₁, при этом его погонное (на единицу длины) сопротивление равно r₀ и температурный коэффициент сопротивления равен α. При длине преобразователя Н его полное сопротивление

При уровне жидкости h погруженная часть стала иметь температуру t₂, при этом полное сопротивление преобразователя определяется выражением Таким образом, зависимость между приращением сопротивления Δ R и уровнем h (статическая характеристика) будет иметь вид

(11.8)

Из (11.8) следует, что статическая характеристика преобразователя линейна. Коэффициент преобразования Δ R/h растет с увеличением погонного сопротивления терморезистора и его температурного коэффициента сопротивления. Коэффициент преобразования увеличивается также с ростом температуры t₁ «сухого» преобразователя (так как при этом увеличивается разность t₂ – t₁), однако чрезмерное повышение температуры «сухого» преобразователя недопустимо из-за опасности повреждения терморезистора и подогрева контролируемой жидкости. Основной областью применения термокондуктометрических уровнемеров является криогенная техника, где они используются для измерения уровня сжиженных газов.

Для измерения уровня жидкого гелия широко применяются уровнемеры, использующие явление сверхпроводимости. Эффект сверхпроводимости состоит в том, что при температуре металла ниже критической Т_к его сопротивление становится нулевым. Поэтому, если температура погруженной части преобразователя будет ниже критической, то сопротивление этой части будет нулевым и общее сопротивление преобразователя будет определяться только сопротивлением его сухой части. Чувствительные элементы таких преобразователей изготовляют из ниобий-титанового сплава. Для уменьшения выделяемой на преобразователе мощности он может питаться, постоянным напряжением импульсной формы. Учитывая широкое развитие высокотемпературной сверхпроводимости, можно предположить скорое появление уровнемеров подобного типа для жидкого азота, кислорода, водорода.

Термокондуктометрические преобразователи обычно изготавливают в виде тонкой проволоки со специальным защитным покрытием, закрепленной на каркасе. При использовании преобразователей в криогенной технике при измерении уровня сжиженных газов для уменьшения влияния градиента температур в криостате и интенсивности испарения терморезистор рекомендуется помещать внутри теплоизолирующей вакуумной рубашки дьюаровского типа. В качестве вторичных приборов могут быть использованы либо приборы, измеряющие падение напряжения на терморезисторе (которое пропорционально уровню при постоянном токе питания), либо мосты.

Погрешности терморезисторных уровнемеров зависят от отклонения расчетных значений величин, определяющих его статическую характеристику (11.8). Стабильность r₀ и α обеспечивается обработкой материала и защитным покрытием проволоки во избежание коррозии поверхности и уменьшения сечения. Изменение температур t₁, и t₂ может произойти из-за изменения температур газовой и жидкой фаз, изменения коэффициентов теплоотдачи на сухом и погруженном участках преобразователя. Влияние изменения температуры газовой фазы может быть уменьшено повышением температуры t₁ сухого участка преобразователя (однако следует иметь в виду опасность чрезмерного увеличения температуры резистора из-за возможного нарушения режима теплоотдачи и разрушения резистора). Распространенным способом уменьшения температурной погрешности является использование компенсационных терморезисторов, один из которых постоянно находится в жидкости, второй — в газе. Все три резистора включаются в схему вторичного прибора.

Вопрос №10