3. Измерение уровня

В настоящее время существует большое число методов измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов. Одним из наиболее распространенных методов измерения уровня жидкостей является измерение гидростатического давления столба жидкости, осуществляемое водомерными стеклами и их разновидностями, а также с помощью манометрических или пневматических (пьезометрических) устройств. Во всех этих методах, как правило, главной является погрешность за счет изменения плотности измеряемой жидкости от температуры. Для исключения или уменьшения этой погрешности создаются сложные измерительные системы, одновременно измеряющие гидростатическое давление жидкости и ее плотность и корректирующие затем показания уровнемера в соответствии с плотностью. Естественно, что усложнение измерительной системы уменьшает ее надежность.

Все системы измерения уровня жидкостей гидростатическим методом требуют тщательного анализа измерительной системы, соединительных линий, их температурного режима, особенностей работы измерительных преобразователей системы.

Одними из наиболее простых и надежных являются поплавковые уровнемеры. Однако они практически не могут применяться при высоких давлениях. Некоторый прогресс в этом отношении представляют буйковые уровнемеры, которые могут работать и при значительных давлениях. Но применение как поплавковых, так и буйковых уровнемеров затруднено в агрессивных жидкостях и в средах с выпадающими осадками.

Пьезометрический метод измерения уровня основан на измерении давления воздуха (инертного газа), уравновешивающего гидростатическое давление столба жидкости. Поэтому, кроме недостатков и особенностей гидростатического метода измерений, здесь добавляется специфика пневмометрической системы.

Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения как непроводящих, так и проводящих жидкостей. Они пригодны для измерения уровня в широком диапазоне давлений и температур измеряемых сред, как агрессивных, так и неагрессивных. Показания их зависят от диэлектрической проницаемости среды, которая может изменяться с температурой. Применение компенсационных емкостей позволяет существенно уменьшить это влияние, но не исключает его полностью.

Контрольные вопросы и задачи

3-1. Уровень воды в барабане парогенератора измеряется водомерным стеклом. Давление пара в барабане 100 кгс/см², вода в барабане находится при температуре насыщения. Действительное значение уровня H = 0,5 м. Определите уровень в водомерном стекле h, если температура воды в водомерном стекле 150 С.

3-2. Для условия задачи 3-1 определите, как изменится погрешность измерения уровня, если перед измерением водомерное стекло было продуто и температура воды в стекле стала 300 С.

3-3. Изменение уровня воды в открытом резервуаре может достигать 3 м (рис. 3-1). Можно ли для измерения уровня гидростатическим методом использовать дифференциальный мембранный манометр с предельным номинальным перепадом Δр = 0,4 кгс/см², если он будет расположен ниже минимального уровня на h = 3 м. Минусовая камера дифманометра соединена с атмосферой.

0

0

0

0

Рис. 3-1 Рис. 3-2

3-4. Уровень воды в емкости измеряется гидростатическим методом по схеме, изображенной на рис. 3-2. Максимальное значение уровня Н_мах = 400 мм. Оцените относительную погрешность измерения максимального значения уровня, вызванную изменением уровня воды в минусовом сосуде для мембранного дифманометра. Внутренний диаметр импульсных трубок d = 10 мм. При изменении уровня от 0 до Н_мах происходит изменение объема минусовой камеры дифманометра на ΔV = 4 см³. при Н = 0 уровни воды в обеих импульсных трубках равны. Температура окружающей среды и воды в емкости и трубках составляет 20 С.

3-5. Для условия задачи 3-4 оцените погрешность, если изменение уровня осуществляется поплавковым дифманомером (рис. 3-3) с диа-метром сменного сосуда D_с = 64,6 мм. Плотность ртути в дифманометре при t = 20 С ρ_рт = 13546 кг/м³, плотность воды ρ_в = 998,2 кгс/см³.

3-6. Для условия задачи 3-5 оцените погрешность, если на минусовой импульсной линии установлен уравнительный сосуд (рис. 3-4) диаметром d = 100 мм.

Рис. 3-3 Рис. 3-4

3-7. Уровень воды в открытой емкости измеряется дифманометром-уровнемером. Уровнемер градуирован при температуре воды в емкости и в импульсных трубках 30 С. Изменятся ли показания уровнемера, если температура в емкости увеличилась до 90 С, а температура воды в импульсных линиях осталась 30 С.

3-8. В цилиндрическом вертикальном стальном резервуаре-хранилище диаметром 12 м и высотой 10 м находится керосин. При температуре 30 С высота уровня керосина составляет 8,5 м Изменятся ли показания гидростатического уровнемера и изменится ли действительный уровень керосина, если температура окружающего воздуха и резервуара вместе с керосином будет 0 С?

3-9. Определите вес и передаточное число измерительного преобразователя поплавкового механического уровнемера (рис. 3-5), измеряющего уровень кислоты в емкости в интервале от 0 до 500 мм. Плотность кислоты ρ_к = 1230 кг/м³, диаметр шарового поплавка D_п = 100 мм, материал поплавка – пластмасса плотностью ρ_п = 1500 кг/м³, толщина стенок поплавка b = 5 мм, вес троса 0,3 кгс, сила трения в передаточном механизме не превышает 0,05 кгс, угол поворота стрелки по шкале α = 270 , диаметр барабана, через который перекинут трос, D_б = 50 мм.

Рис. 3-5

3-10. Пьезометрический уровнемер с пневматической трубкой измеряет уровень щелочи в выпарном аппарате. Определите давление воздуха в источнике питания и примерный расход воздуха при максимальном уровне. Максимальная плотность раствора щелочи ρ_щ = 1280 кг/м³. Интервал изменения уровня 0–400 мм, внутренний диаметр пневмометрической трубки d = 6 мм, температура жидкости в аппарате 80 С, абсолютное давление в аппарате 160 мм рт. ст.

3-11. Рассчитайте емкость и коэффициент преобразования измерительного преобразователя емкостного уровнемера, предназначенного для измерения уровня в баках-хранилищах керосина от нулевого до максимального значения Н_макс = 8 м. Емкостной преобразователь состоит из полого металлического цилиндра диаметром D = 60 мм (внешний электрод), внутри которого коаксиально расположен металлический тросик диаметром d = 1,5 мм, покрытый слоем изоляции толщиной b = 1 мм (внутренний электрод). Длина преобразователя l = 8 м, емкость конструктивных элементов С₀ = 75 пФ. Относительная диэлектрическая проницаемость паров керосина ε_п = 1, керосина ε_к = 2,1, изоляционного покрытия тросика ε_и = 4,2.

3-12. Зависит ли коэффициент преобразования емкостного преобразователя уровнемера от соотношения диэлектрических проницаемостей жидкости ε_ж и ее паров ε_п? Жидкость неэлектропроводна. Преобразователь представляет собой металлический цилиндр диаметром D и длиной l, внутри которого коаксиально расположен металлический изолированный трос диаметром d.

3-13. Оцените погрешность емкостного уровнемера, вызванную изменением температуры проводящей жидкости на 25 С, для измерительной схемы без автоматического введения поправки на изменение диэлектрической проницаемости. Емкость конструктивных элементов измерительного преобразователя С₀ = 82 пФ, погонная геометрическая емкость системы в воздухе С_п = 240 пФ/м, диэлектрическая проницаемость жидкости ε_ж = 18, изменение ε_ж с изменением температуры составляет 0,2 %/К, интервал изменения уровня h от 0 до 2 м, длина измерительного преобразователя l=2 м.

3-14. Можно ли применить емкостной преобразователь (задача 3-13) без переградуировки для измерения жидкости с ε_ж = 20?

3-15. На рис. 3-6 представлена схема буйкового уровнемера. Рассчитайте плечо l подвеса буйка уровнемера, предназначенного для измерения уровня в сосуде под давлением в интервале от –250 до +250 мм относительно номинального значения. Плотность жидкости ρ_ж = 1300 кг/м³, средняя объемная плотность буйка ρ_б = 2000 кг/м³, диаметр буйка D = 20 мм, максимальное перемещение заслонки относительно сопла х = 0,1 мм, расстояние от сопла до точки опоры α = 20 мм, расстояние от точки опоры до уравновешивающей пружины b = 100 мм, упругость пружины W = 20 Н/мм, начальная сила натяжения пружины F₀ = 10 Н. Расстояние от точки опоры до места подвеса буйка l может устанавливаться в пределах от 0,2 до 1,5 м.

Рис. 3-6