Методи вимірювання рівня

Загальні відомості

Рівнем називають висоту заповнення технологічного апарата робочим середовищем — рідиною або сипучим тілом. Рівень робочого середовища є технологічним параметром, інформація про нього необхідна для контролю режиму роботи технологічного апарата, а в ряді випадків для керування виробничим процесом і для проведення заходів щодо енергоаудиту. Шляхом вимірювання рівня можна одержувати інформацію про масу рідини в резервуарах. Подібна інформація широко використовується для керування виробничим процесом. Рівень вимірюють в одиницях довжини. Засоби вимірювання рівня називають рівнемірами. Розрізняють рівнеміри, які призначені для вимірювання рівня робочого середовища; вимірювання маси рідини в технологічному апараті; сигналізації граничних значень рівня робочого середовища — сигналізатори рівня. За діапазоном вимірювання розрізняють рівнеміри широкого (з межами вимірювання 0,5-20 м) і вузького діапазонів (межі вимірювання (0…±100) мм або (0…±450) мм). На даний час вимірювання рівня в багатьох галузях промисловості здійснюють різними за принципом дії рівнемірами, з яких дістали поширення візуальні, поплавкові, буйкові, гідростатичні, електричні, ультразвукові і радіоізотопні.

Візуальні засоби вимірювання рівня

До візуальних засобів вимірювання рівня відносять мірні лінійки, рейки, рулетки з лотами (циліндричними стрижнями) і скляні рівнеміри. У виробничій практиці широкого застосування набули скляні рівнеміри. Вимірювання рівня за допомогою скляних рівнемірів (рис.7.1 а) ґрунтується на законі сполучених посудин. Вказівне скло 1 за допомогою арматур з’єднують із нижньою і верхньою частинами ємності. Спостерігаючи за положенням меніска рідини в трубці 1, роблять висновок про положення рівня рідини в ємності. Для виключення додаткової похибки, обумовленої розходженням температури рідини в резервуарі і у скляній трубці, перед вимірюванням здійснюють промивання скляних рівнемірів. Для цього передбачений вентиль 2. Арматура скляних рівнемірів оснащується запобіжними клапанами, що забезпечує автоматичне перекривання каналів, які зв’язують вказівне скло з технологічним апаратом при випадковій поломці скла. Через низьку механічну міцність скляні рівнеміри звичайно виконують довжиною не більше 0,5 м. Тому для вимірювання рівня в резервуарах (рис.7.1 б) встановлюється декілька скляних рівнемірів з тим розрахунком, щоб вони перекривали один одного. Абсолютна по-хибка вимірювання рівня скляними рівнемірами ±(1-2) мм. При вимірю-ванні можливі додаткові похибки, пов’язані із впливом температури навколишнього середо-вища. Скляні рівнеміри застосовуються до тисків 2,94 МПа і до температури 300°С.

ПОПЛАВКОВІ ТА БУЙКОВІ РІВНЕМІРИ

Поплавкові і буйкові прилади відносять до найбільш простих приладів вимірювання рівня. Принцип дії поплавкових приладів заснований на використанні виштовхувальної сили, яка діє на занурене в рідину тіло.

Рисунок 1.1. Поплавкові пристрої вимірювання рівня: а) – тросовий , б) – ричажний з поплавковою камерою

Найбільш простим типом поплавкових приладів є прилади тросового типу (Рисунок 1.1, а). Поплавець 4 через гнучкий трос 2 пов'язаний з обертовим шківом 1. Для зрівноважування всієї системи на кінці троса закріплена противага 5. Зі зміною рівня контрольованої рідини відбувається переміщення поплавця і троса. Для сигналізації мінімального і максимального рівнів на тросі встановлюють два обмежувачі рівня З, що при досягненні заданого рівня перекидають коромисло 7, що призводить до переключення сигнальних електричних контактів 6. Переміщенням обмежувачів рівня можна змінювати діапазон сигналізації поплавкового приладу.

На рисунку 1.1, б показаний поплавковий прилад з одним важелем 2, що з'єднує поплавець 1 із контрольним устроєм 3.

Прилади тросового типу не можна застосовувати в резервуарах, що знаходяться під надлишковим тиском, при низьких температурах і у вибухо і пожежонебезпечних рідинах.

Принцип дії буйкового приладу показаний на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2. Буйковий прилад вимірювання рівня

Сталевий циліндричний буй 8 підвішений на кінці важеля 7, що пов'язаний із пружньою трубкою 6. Під дією буя до пружньої трубки додається момент , що деформує, при цьому маса буя вибирається так, щоб він не випливав при повному його зануренні в рідину. З підвищенням рівня рідини збільшується глибина занурення буя і за рахунок збільшення виштовхувальної сили, зменшується його маса, що викликає пропорційне зменшення кута закручування пружньої трубки 6 і сталевого стержня 5, закріпленого всередині трубки. На протилежному кінці стержня 5 установлена заслінка 4 пневмопристрою що відхиляється щодо сопла 3 на той же кут.

Пневмопристрій 2 посилює мале кутове переміщення заслінки в пропорційну зміну тиску стиснутого повітря, контрольованого спеціальним манометром 1, шкала якого переградуйована в рівень.

ЄМНІСНІ РІВНЕМІРИ

В даний час перспективними приладами вимірювання рівня електропровідних і неелектропровідних матеріалів є ємнісні прилади. У цих приладах у якості чутливого елемента використовується електрична ємність, утворена спеціальним робочим електродом і металевою поверхнею стінки резервуара, між якими знаходиться вимірююче середовище.

Електрична ємність плоского конденсатора рівна:

де ξ-діелектрична проникність середовища між електродами;

S- площа кожного електрода;

d- відстань між електродами,

При вимірюванні рівня неелектропровідних матеріалів змінюється , а при вимірюванні рівня електропровідних матеріалів змінюється d , тому що в цьому випадку другим електродом служить вимірюване середовище зі стінкою резервуара.

Ємнісні прилади вимірювання рівня можна розбити на дві основні групи: мостові і резонансні. В мостових приладах електрична ємність, утворена датчиком-електродом і поверхнею резервуара, включається в одне з плечей моста. При зміні рівня змінюється ємність датчика, це викликає розбаланс моста і на виході з'являється напруга, що вимірюється вторинним електронним приладом, відградуйованим в одиницях контрольованого рівня.

У резонансних приладах електрична ємність включається паралельно з індуктивністю, створюючи резонансний контур, що живиться від високочастотного генератора. Контур настроєний на резонанс частоти генератора, що живить, при початковій ємності датчика, який відповідає наявності або відсутності середовища, що вимірюється на заданому рівні. Із зміною рівня змінюється ємність датчика, що призводить до зміни частоти контуру і порушенню умови резонансу, тобто до зриву резонансу. При резонансі опір контуру мінімальний, при зриві резонансу опір контуру різко збільшується. На принципі зміни опору контуру при зміні контрольованого рівня будуються електронні схеми ємнісних рівномірів.

Ємнісні прилади мають високу чутливість, велику швидкодію, малі габарити. У якості електродів у залежності від середовища, що вимірюється застосовують датчики з покриттям із полівінілхлорида, фторопласта і т.д. У результаті такого покриття прилади можуть використовуватися в агресивних середовищах, де застосування контактних датчиків практично неможливо. Як у рівнемірах для електропровідних, так і для неелектропровідних рідин електроди перетворювачів можуть бути виконані у вигляді стержнів, плоских пластин чи циліндрів. Другим електродом може бути металева стінка посудини з досліджуваною речовиною.

Найпростішою та найпоширенішою є конструкція коаксіатьного перетворювача (рисунок 1.2.1, а). Перетворювач складається з внутрішнього 1 та зовнішнього 2 циліндричних електродів, взаємне розміщення яких зафіксоване прохідними ізоляторами 3. Він міститься в резервуарі 4 з досліджуваною рідиною. Якщо резервуар рідиною не заповнений, то ємність між електродами перетворювача.

де l- повна довжина електродів; ,R та d - радіус внутрішнього електрода та відстань між електродами; Co - ємність, зумовлена прохідними ізоляторами та з'єднувальними дротами від електродів до вторинної вимірювальної апаратури.

Рисунок 1.2.1. Ємнісні перетворювачі рівня рідини

Після заповнення резервуара до рівня Н ємність зміниться до значення

Наведений вираз є спрощеною функцією перетворення ємнісного перетворювача неелектропровідної рідини. Еквівалентна ємність такого перетворювача є сумою трьох з'єднаних паралельно ємностей. Якщо діелектричну проникність досліджуваного середовища можна вважати сталою, інформативною є лише третя складова еквівалентної ємності. Оскільки перші дві складові є неінформативними, то для збільшення чутливості ємнісного перетворювача повинна бути передбачена їх схемна компенсація.

Зовнішні посилання

1.http://bibliofond.ru/view.aspx?id=479015

2.http://studentbank.ru/view.php?id=42436

3.http://www.essuir.sumdu.edu.ua/bitstream/123456789/2596/1/Antonenko.doc

Список літератури

1. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно-вимірювальна техніка. – К.: УМК ВО, 1991. – 240 с.

2. Полішко С.П., Трубенок О.Д. Точність засобів вимірювання. – К.: Вища школа, 1992. – 173

3. Поджаренко В.А., Кухарчук В.В. Метрологические основы компьютерно-измерительной техники. – К.: УМК ВО, 1989. – 216 с.