Буйковые средства измерений уровня

Средства измерений уровня этого вида входят в номенклатуру приборов ГСП.

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрических буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила— давление» и «сила — ток». В соответствии с видом используемого преобразователя силы различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на рис. 12.3, а. Уровнемер работает следующим образом. Когда уровень жидкости в аппарате равен начальному h ₀(в частном случае h ₀может быть равен 0), измерительный рычаг 2 находится в рaвновесии, так как момент М ₁создаваемый весом буйка G, уравновешивается моментом М ₂, создаваемым противовесом N.

Рис. 12.3. Схемы буйковых пневматических уровнемеров

Когда уровень жидкости становится больше h ₀, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается, а следовательно, уменьшается и момент М ₁создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М ₂становится больше М ₁рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8. Поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот же сигнал одновременно посылается в сильфон отрицательной обратной связи 5. При действии давления Р _вьгх возникает сила R, момент М ₃которой совпадает по направлению с моментом М ₁т. е. действие силы R направлено на восстановление равновесия рычага 2. Движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной 0, т. е.

. (12.2)

Представляя моменты М ₁, М ₂, М ₃в виде произведений соответствующих сил и плеч, получим

, (12.3)

где - вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h; l ₁, l ₂, l ₃ — плечи действующих сил относительно точки О; R — сила, развиваемая сильфоном 5; N —вес противовеса.

Силы G и R определяем из следующих выражений:

; (12.4)

, (12.5)

где d и H _б —диаметр и длина буйка (последняя определяет диапазон измерений уровнемера); ρ —плотность материала буйка; ρ_ж — плотность жидкости; h — глубина погружения буйка в жидкость, т. е. текущее значение измеряемого уровня; f _эф — эффективная площадь сильфона 5.

Подставляя выражения для сил G и R в равенство (12.3), получим

. (12.6)

В этом равенстве вес буйка в воздухе.

Если выбрать произведение Nl₂ равным ,чего можно достигнуть, изменяя, например, плечо , то

, (12.7)

откуда

, (12.8)

где — коэффициент передачи уровнемера.

Выходной сигнал Р_вых уровнемера линейно связан со значением измеряемого уровня h. Выражение представляет собой изменение веса Δ G буйка, поэтому равенство (8.8) можно преобразовать к виду

, (12.9)

где —постоянный коэффициент.

Зависимость (8.9) позволяет градуировать буйковые уровнемеры весовым методом. Выходной сигнал пневматических буйковых уровнемеров изменяется в диапазоне 0,02—0,1 МПа при изменении уровня от нуля до максимального значения. Начальное значение выходного сигнала (0,02 МПа) задается пружиной 6 (см. рис. 12.3, а). Для предотвращения автоколебаний измерительной системы уровнемера служит демпфер 4. Герметизация технологического аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной мембраной 3. При необходимости буек может быть установлен в выносной камере, располагаемой вне технологнческого аппарата. Минимальный верхний предел измерений пневматичe-скйх уровнемеров — 0,02 м, максимальный — 16 м.

Кроме рассмотренной модификации пневматических уровнемеров выпускаются уровнемеры, оснащенные унифицированным преобразователем «сила — давление». Схема соединения буйка с унифицированным преобразователем приведена на рис. 12.3, б. Здесь 1 — груз, уравновешивающий вес буйка; 2 — Т-образный рычаг унифицированного преобразователя 3.

Для преобразования уровня в унифицированный токовый сигнал разработаны буйковые электрические уровнемеры, оснащенные унифицированным преобразователем «сила — ток» Подключение буйка к унифицированному преобразователю осуществляется по схеме, аналогичной схеме, приведенной на рис. 12.3, б. Верхние пределы измерений уровнемера с унифицированным электрическим сигналом ограничены значениями 0,02— 16 м.

Буйковые средства измерений уровня применяются при температуре рабочей среды от —40 до +400°С и давлении рабочей среды до 16 МП а. Классы точности буйковых уровнемеров 1,0 и 1,5.

 

12. 5. Гидростатические средства измерений уровня

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом жидкости постоянной плотности ρ, согласно равенству

. (12.10)

Измерение гидростатического давления осуществляется:

· манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

· дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;

· измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние.

На рис. 12.4, а приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соотвeтствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (12..10). Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на рис. 12..4, б. Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему.

В нижней части манометрической системы расположен колокол 2, отверстие которого перекрыто тонкой эластичной мембраной 1, а в верхней — манометр 3. Применение эластичной мембраны исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение уровня из-за упругости мембраны. Преимуществом данной схемы измерения гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположения относительно уровня жидкости в резервуаре.

При измерении уровня по рассмотренным схемам имеют место погрешности измерения, определяемые классом точности манометров и изменениями плотности жидкости.

Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений.

Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры. С помощью дифференциальных манометров возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей.

 

Рис. 12.4. Схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами

Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением, осуществляется по схеме, представленной на рис. 12.4, в. Дифманометр 1 через импульсные трубки 2 соединен с резервуаром и уравнительным сосудом 3. Уравнительный сосуд применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h ₁в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде должен быть постоянным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде 3. При равенстве плотностей жидкостей, заполняющих импульсные трубки и резервуар, и при условии h ₁=h₂ перепад давления, измеряемый дифманометром,

. (12.11)

При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рис. 12.4, г. Уравнительный сосуд 3 в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня, и соединяют с аппаратом. Статическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки, поэтому измеряемый перепад давления Δ Р можно представить в виде

. (12.12)

При h = 0 Δ Р =Δ Р _maх, а при h = h _mах ΔР=0.

Как следует из уравнения (12.12), шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной. В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом.

Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к резервуару осуществляется через разделительные сосуды.

Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рис. 12.4, д. Пьезометрическая трубка 1 размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ поступает в трубку через дроссель 2, служащий для ограничения расхода. Для измерения расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу пузырьков, пробулькивающих через заполняющую его жидкость в единицу времени), а давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4. Давление газа после дросселя измеряется дифманометром 5 и служит мерой уровня.

При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ докидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно один пузырек в секунду).

При большем расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько большим, чем гидростатическое, из-за дополнительного падения давления, возникающего за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа увеличивается инерционность измерения. Оба фактора могут увеличить погрешность измерения уровня.

В пьезометрических уровнемерах при больших изменениях уровня расход газа может существенно измениться, что, в свою очередь, может вызвать дополнительную погрешность измерения.

Для стабилизации расхода газа в пьезометрических уровнемерах промышленностью выпускается мембранный стабилизатор расхода, схема которого показана на рис. 12.5.

Действие стабилизатора основано на автоматическом регулировании постоянного перепада давления на дросселе 1, который обусловливает постоянство расхода через него. Для регулирования этого перепада используются статический мембранный регулятор, который состоит из корпуса 6 и крышки 3, между которыми установлена резинотканевая мембрана 5 с жестким центром 4. Последний опирается на толкатель 10, а сверху на него воздействует пружина 2. Шарик 9, на который воздействует пружина 8, образует вместе с отверстием 7 в корпусе управляемый клапан. Ротаметр 11 служит для измерения расхода газа, подаваемого к пьезометрической трубке. Дроссель 1 выполнен переменным, что позволяет задавать регулируемое значение расхода.

Стабилизатор расхода работает следующим образом. Если по каким-либо причинам расход газа изменяется, например уменьшается, соответственно уменьшается перепад давления на дросселе 1. В результате действующая на мембрану сила F ₁, обусловленная перепадом давления на мембране, также уменьшается. Из-за того что сила F ₂, развиваемая пружиной 2, постоянна, уменьшение силы F ₁вызовет перемещение мембраны вниз. При этом толкатель 10 несколько увеличит зазор между шариком 9 и отверстием 7, что увеличивает подачу газа под мембрану 5, а следовательно, и давление в пространстве под ней и на входе дросселя 1. Увеличение этого давления будет происходить до тех пор, пока с точностью до статической ошибки не будет восстановлен перепад давления на дросселе 1, а следовательно, и расход. В состоянии равновесия силы F ₁и F ₂, действующие на мембрану, равны.

Пьезометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в широких пределах (от нескольких десятков сантиметров до 10— 15 м), и при использовании для измерения давления в пьезометрической трубке дифманометра с унифицированным выходным сиг-налом имеют относительную приведенную погрешность ±(1,0-—1,5) %.

 

Рис. 12.5. Схема мембранного стабилизатора расхода воздуха:

1 — дроссель; 2 — пружина; 3 — крышка; 4 — жесткий центр; 5 — резинотканевая мембрана; 6 —корпус; 7— отверстие; 8 - пружина; 9 - шарик; 10 – толкатель; 11— ротаметр

Точность измерений уровня пьезометрическими уровнемерами может быть существенно увеличена, если в качестве средства измерений гидростатического давления использовать автоматический цифровой манометр дискретно-непрерывного действия. Манометр (рис. 12.6) состоит из деформационного чувствительного элемента — мембраны 9, центр которой жестко связан с подвижным электродом 11 дифференциального емкостного преобразователя малых перемещений. Неподвижные 10, 12 и подвижный 11 электроды дифференциального емкостного преобразователя малых перемещений включены в схему LC-моста индикатора перемещений 25.

Рис. 12.6. Схема цифрового манометра дискретно-непрерывного действия

К подвижному электроду прикреплена грузовая тарелка 1, над которой расположен подъемно-навешивающий механизм, состоящий из набора грузов 3, перемещаемых с помощью втулок 2, закрепленных на подъемной штанге 6. Подъемная штанга способна перемещаться вверх или вниз благодаря передаточному механизму 8, связывающему шток с валом 7, приводимым во вращение электродвигателем 5. Над дифференциальным емкостным преобразователем малых перемещений расположен рейтерный механизм с рычагом 15, выполненным в виде микрометрического винта с подвижным грузом 14. Перемещение груза 14 осуществляется при вращении микрометрического винта электродвигателем 17. Измерение давления Р осуществляется по сигналу «Измерение». В соответствии с этим сигналом клапан 23 соединяет подмембранную полость с объектом измерения. Под действием давления Р мембрана 9 деформируется и электрод 11 отклоняется от нейтрали. В результате нарушается равновесие LC-моста, напряжение разбаланса которого после усиления воздействует на фазочувствительный каскад и переводит поляризование реле индикатора перемещений 25 в одно из крайних положений, соответствующее направлению перемещения электрода. Этот сигнал через двухпозиционный ключ 19 воздействует на блок 20, который включает двигатель 5 так, что он начинает вращаться в направлении, при котором грузы 3 со штанги 6 опускаются на грузоприемную тарелку 1. Опускание грузов происходит до тех пор, пока на выходе индикатора 25 не появится сигнал, вызывающий реверс двигателя. При реверсе грузы снимаются с грузоприемной тарелки 1. Как только последний перекомпенсирующий груз снимается с грузоприемной тарелки, на выходе индикатора 25 появляется сигнал отклонения электрода 11 вверх и блок 20 останавливает электродвигатель. В процессе компенсации грузами 3 усилия, развиваемого мембраной 9, частота вращения вала 7 преобразуется преобразователем 4 в электрические импульсы, подаваемые через ключ 22 на счетчик 21 (старший разряд). Одновременно с остановкой двигателя 5 блок 20 подает сигнал на второй вход ключа 19. При этом выход индикатора 25 подключается к блоку 18 непрерывной компенсации. Последний включает электродвигатель 17, приводящий во вращение микрометрический винт 15, по которому начинает перемещаться груз 14. Перемещение груза происходит в сторону увеличения компенсирующего усилия.

Частота вращения винта 15 преобразуется в электрические импульсы, которые через ключ 24 поступают на счетчик 21 (младший разряд). Вращение винта происходит до тех пор, пока мембрана, а вместе с ней и электрод не придут в нейтральное положение. При этом двигатель останавливается. О значении измеряемого давления судят по числу импульсов, отсчитанных счетчиком. После снятия сигнала «Измерение» показания счетчика сбрасываются на «нуль» и клапан 23 отключается, соединяя внутреннюю полость чувствительного элемента с атмосферой.

Пределы измерений цифрового манометра 0—10⁵ Па, приведенная погрешность ±0,05 %.

Благодаря простоте реализации на базе пьезометрических уровнемеров, оснащенных цифровыми манометрами дискретно-непрерывного действия, разработаны весомеры. Определение массы жидкости в резервуаре по показаниям пьезометрического уровнемера осуществляется в соответствии с зависимостью

, (12.13)

где Р — измеряемое гидростатическое давление; S(h) — средняя площадь резервуара при его заполнении до высоты h.

Числовое значение S (h) определяют по градуировочным таблицам, составленным для каждого резервуара. Описанный принцип измерений массы жидкости в резервуарах положен в основу измерительной системы учета количества нефтепродукта в резервуарах. Приведенная погрешность измерения гидростатического давления не превышает ±0,05%. Максимальная приведенная погрешность измерения массы нефтепродукта в резервуаре ±0,5 %. Максимальное число обслуживаемых резервуаров 10. Система учета оснащается схемой пневмосигнализации значений уровня в резервуарах.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: