Теплотехнічні вимірювання і прилади Модуль 3. Вимірювання тиску і рівнів теплоносіїв Тема 3.2 Вимірювання рівня

План

1. Загальні відомості про вимірювання рівня, типи рівнемірів.

2. Механічні рівнеміри.

3. Акустичні рівнеміри.

4. Електричні рівнеміри.

5. Оптичні рівнеміри.

6. Теплові рівнеміри.

7. Вимірювання рівня сипких тіл.

1. Загальні відомості про вимірювання рівня, типи рівнемірів

Під вимірюванням рівня розуміється індикація положення розділу двох середовищ різної густини щодо якої-небудь горизонтальної площини, прийнятої за початок відліку. Засоби вимірювання рівня називаються рівнемірами. Як і всі засоби вимірювання, рівнеміри складаються із сукупності вимірювальних перетворювачів і допоміжних пристроїв, необхідних для здійснення процесу вимірювань, - пристроїв для лінеаризації функцій перетворення, відлікових пристроїв тощо. Первинний перетворювач (датчик) сприймає вимірювану величину - рівень - і перетворює її у вихідний сигнал (електричний, пневматичний, частотний), що надходить на наступні перетворювачі, або у показання, які відлічуються по шкалі рівнеміра.

Принцип дії первинних перетворювачів рівнемірів заснований на розходженні фізичних властивостей речовин, що утворюють межу розділу. Залежно від того, розходження яких фізичних властивостей речовин сприймає первинний перетворювач, рівнеміри підрозділяють на механічні, акустичні, електричні, оптичні й теплові.

2. Механічні рівнеміри

До цих рівнемірів відносяться поплавкові, буйкові й гідростатичні рівнеміри. Усі вони реалізують абсолютний метод вимірювання рівня, заснований на використанні розходження густин речовин, що утворюють межу розділу.

Принципова схема поплавкового рівнеміра представлена на рисунку 3.2.1.

Як первинний перетворювач рівнеміра використовується тіло (поплавець) кулястої або циліндричної форми, що плаває на поверхні рідини й має постійне занурення (осадку). Поплавець під дією сили, що виштовхує (архімедової сили) переміщається разом з рівнем рідини. Положення поплавця, що є мірою поточного значення рівня рідини, фіксується вторинним перетворювачем і перетворюється в електричний, пневматичний, частотний сигнал і (або) відлічується по шкалі приладу, що показує. Зв'язок поплавця із вторинним перетворювачем може здійснюватися за допомогою механічних елементів (троса, стрічки, важеля) або за допомогою безконтактних (оптичних, акустичних, радіоізотопних та ін.) спостерігаючих систем. Характерна риса поплавкових рівнемірів з механічним зв'язком -

необхідність герметизації виводу при вимірюванні рівня токсичних, легковипаровуваних рідин, у посудинах з надлишковим тиском, а також наявність додаткових похибок, пов'язаних з пружною деформацією й тертям елементів зв'язку. У той же час використання для фіксації положення поплавця безконтактних систем, що стежать, ускладнює конструкцію рівнемірів, обумовлює, як правило, нелінійність їхніх характеристик перетворення.

Рис. 3.2.1. Поплавкові рівнеміри: а – вузького діапазону; б – широкого діапазону;

1- поплавець; 2 – гнучкий трос; 3- шкала; 4- противага

При ретельному градуюванні й правильній експлуатації поплавкових рівнемірів їхня основна похибка може бути зведена до значення порядку ±1 мм у діапазоні вимірювань до 15-20 м. Внаслідок цього поплавкові рівнеміри знаходять застосування в якості зразкових.

Найбільш істотний вплив на достовірність виміру рівня поплавковими рівнемірами надає зміна температури в робочій порожнині судини. Зміни температури обумовлюють температурну деформацію поплавця, а також зміну густин рідини й газу в надрідинній порожнині, що, в остаточному підсумку, приводить до зміни осадки поплавця. Абсолютна додаткова похибка рівнеміра, пов'язана зі зміною осадки поплавця, залежить від ваги поплавця і величини перетину поплавця. Для зменшення цієї похибки вага поплавця має бути якомога меншою, а величина перетину поплавця - якомога більшою (і бажано, сталою по висоті).

Принципова схема буйкового рівнеміра наведена на рисунку 3.2.2.

Чутливий елемент рівнеміра – буй - являє собою масивне тіло (як правило, вісесиметрійне), підвішене вертикально усередині судини, у якій виміряється рівень рідини. При зміні Δh рівня рідини змінюється ступінь занурення буя, а отже, і діюча на нього сила, що виштовхує. Зміна сили, що виштовхує, компенсується деформацією Δх пружного елемента (пружини, мембрани, торсіонної трубки), що і є мірою зміни рівня рідини в судині. Деформація пружного елемента вторинним перетворювачем перетворюється в пропорційний електричний, пневматичний або частотний сигнал.

Основними факторами, що визначають достовірність виміру рівня буйковими рівнемірами, є

− несталість твердості пружного елементу, обумовлена його механічними властивостями;

− несталість площі поперечного перетину буя, що характеризує технологію і якість його виготовлення;

− зміни густин рідини й газу, обумовлені несталістю їхнього складу й температури.

Рис.3.2.2. Вимірювальна схема буйкового рівнеміра

Слід зазначити, що температурний фактор впливає й на перші дві складові похибки вимірювання рівня. Основна погрішність буйкових рівнемірів коливається в межах ± (1-1,5) %. Особливість буйкових рівнемірів - наявність початкового (неконтрольованого) рівня, від якого ведеться відлік показань. Розмір початкового рівня становить зазвичай 4-10 мм. Він необхідний для усунення впливу сил поверхневого натягу, що максимальні в момент торкання (або відриву) буя поверхні рідини. Із цією же метою використовують спеціальні покриття, що зменшують налипання рідини на поверхню буя.

Принцип дії гідростатичних рівнемірів заснований на вимірюванні тиску стовпа рідини, висота якого дорівнює висоті рівня рідини в судині. В цих рівнемірах вимірювання рівня H рідини сталої густини ρ зводиться до вимірювання гідростатичного тиску p стовпа рідини p = Нρg. Гідростатичний тиск при цьому вимірюється або за допомогою двох манометрів (M1, М2), або одним диференціальним манометром (ДМ).

Гідростатичні рівнеміри з механічними сприймаючими елементами відрізняються простотою монтажу й обслуговування, високою надійністю. Однак їхній чутливий елемент перебуває в безпосередньому контакті з контрольованим середовищем, що вимагає в ряді випадків застосування для датчиків спеціальних матеріалів, істотно звужує область їхнього застосування.

Від зазначеного недоліку вільний один з типів гідростатичних рівнемірів — п’єзометричний. Прилад працює в такий спосіб. Нейтральний відносно рідини газ при відкритому відсічному клапані проходить крізь фільтр, дроселюється до певного заданого тиску дроселем і пропускається крізь імпульсну трубку, опущену в рідину, рівень якої вимірюється. Регулятор витрат забезпечує постійний рівень витрат газу, що не залежить від поточного значення рівня h. Мірою h у цьому випадку є тиск, що реєструється манометром.

П’єзометричні рівнеміри придатні для виміру рівня будь-яких, у тому числі, і агресивних рідин (при правильному виборі матеріалу імпульсної трубки). Єдиний фактор, що лімітує, - в'язкість рідини. Вплив в'язкості проявляється в збільшенні діаметра пухирців газу, відривання яких від обріза трубки супроводжується виникненням коливань тиску й витрат у вимірювальній лінії, що різко знижує точність вимірів. Тому п’єзометричні рівнеміри застосовують для виміру рівня рідин, в'язкість яких не перевищує 2000 сСт (сантистокс).