Учебное пособие 879

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

МЕТОДИЧЕКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 14 по дисциплине «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение»)

очной и заочной форм обучения

Воронеж 2016

Составители: канд. физ.-мат. наук В.С. Скоробогатов, канд. техн. наук Ю.М. Данилов

УДК 678.029.983

Изучение принципа действия и устройства датчиков для измерения уровня жидкости: методические указания к лабораторной работе № 14 по дисциплине «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов. Воронеж, 2016. 27 с.

В работе изложены назначения, принципы действия, конструкции, условия эксплуатации, характеристики и области применения датчиков для измерения уровня жидкости, а также требования и рекомендации по подготовке и выполнению данной лабораторной работы.

Предназначены для студентов 3-4 курсов. Методические указания подготовлены в электронном

виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержатся в файле «Измерители уровня.pdf».

Табл. 1. Ил. 12. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. И.А. Новикова

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

2

Лабораторная работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Цель работы: Изучить принцип действия, устройство, области применения и характеристики датчиков для измерения уровня жидкости.

Задание: 1. При подготовке к лабораторной работе изучить основные понятия измерительной техники;

2.Изучить принципы действия, конструкции, условия эксплуатации, характеристики и области применения датчиков для измерения уровня жидкости;

3.Рассмотреть основные виды уровнемеров, применяемых в различных отраслях промышленности.

Впроцессе выполнения лабораторной работы студент должен уметь практически применять полученные знания и приобретенные навыки.

На выполнение лабораторной работы отводиться четыре часа. Перед лабораторным занятием студент должен самостоятельно выполнить домашнее задание в соответствии с данным методическим указанием.

Студент, явившийся на занятие, должен иметь методическое указание по данной лабораторной работе.

Вначале занятия преподаватель проверяет выполнение студентом домашнего задания и наличие заготовки отчета по данной лабораторной работе в его рабочей тетради.

1

2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ

При выполнении домашнего задания студент должен ознакомиться с основными принципами действия, устройством, назначением, характеристиками, условиями эксплуатации и областями применения датчиков для измерения уровня жидкости. Для этого необходимо воспользоваться литературой [1-5], а также изучить следующий материал.

2.1. Основные понятия измерительной техники

2.1.1. Электрические измерения неэлектрических величин

Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технологических производственных процессов в современной промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.

При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических или акустических величин, т. е. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин, достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную и разветвлённую область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.

2

До появления автоматических управляющих устройств потребителем измерительной информации на выходе измерительных приборов был лишь человек (экспериментатор, диспетчер, летчик и т. д.). Теперь же очень часто измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматические управляющие устройства. В этих условиях господствующее положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им следующим преимуществам:

-исключительная простота изменения чувствительности

ввесьма широком диапазоне значений измеряемой величины, т. е. широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, а, следовательно, в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены;

-весьма малая инерционность электрической аппаратуры, т. е. широкий частотный диапазон. Это даст возможность измерять как медленно меняющийся, так и весьма быстро меняющиеся во времени величины с регистрацией их электронными средствами;

-возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей природе величин, т. е. возможность создания комплексных измерительно-информационных систем (ИИС), возможность передачи результатов измерения на большие расстояния, математические обработки и использования их для управления (создания управляющих систем);

-возможность комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение для создания ИИС как для научного, так и для промышленного применения.

3

2.1.2. Основные понятия и определения измерительных преобразователей

Согласно стандартам, под измерением понимается нахождение опытным путем с помощью технических средств значений физической величины, которые выбираются из принятой шкалы значений.

Таким образом, в самом общем случае измерение представляет собой сравнение измеряемой величины с построенной тем или иным способом шкалой возможных размеров этой величины.

Понятие измерительного преобразователя в теории измерительной техники было распространено на область электрических измерений неэлектрических величин. В последующие годы это понятие стало использоваться во всех без исключения областях измерительной техники, став одним из основных исходных положений теории измерительной техники.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Применение измерительных преобразователей является единственным методом практического построения любых измерительных устройств, так как любое измерительное средство использует те или иные функциональные связи между входной и выходной величинами.

Это совершенно очевидно в относительно сложных измерительных устройствах (в приборах для электрических измерений неэлектрических величин, в телеизмерительных системах и т.п.). Однако, если понимать под функциональным преобразованием и масштабное преобразование в виде умножения на постоянный коэффициент, то это преобразование имеется в простейших измерительных устройствах, например, в микрометре, когда измеряемая длина отсчитывается по углу поворота микрометра, или в

4

штангенциркуле, когда вместо расстояния между губками штангенциркуля отсчитывается соответствующее расстояние по его шкале.

2.1.3. Измерительные преобразователи и структура измерительных устройств

Измерительный преобразователь – это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование.

На том же самом физическом принципе действия могут быть осуществлены и не измерительные, а энергетические преобразователи, предназначенные для преобразования потоков энергии. В отличие от измерительных эти преобразователи обычно называются силовыми (силовой трансформатор, силовой выпрямитель и т.д.). Главное требование к энергетическим преобразователям – высокое значение энергетического КПД, т.е. малые потери при передаче энергии. Основное же требование к измерительным преобразователям – точная передача информации т.е. минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные погрешности.

Понятие «измерительный преобразователь» значительно более узкое, более конкретное, чем «измерительное преобразование», так как одно и тоже измерительное преобразование может выполняться целым рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей.

Так, например, измерительное преобразование температуры t в механическом перемещении ∆l может быть выполнено целым рядом конкретных измерительных преобразователей, показанных на рис. 1. Это может быть ртутный термометр (рис. 1, а) или биметаллический элемент (рис 1, б), представляющий собой пластину, спаянную из двух

5

металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения α1 и α2 и изгибающиеся при изменении температуры. И, наконец, это же преобразование t →∆l может быть выполнено термопарой ТП, преобразующей температуру t в ЭДС Е, и милливольтметром, преобразующим Е в ∆l (рис. 1, в). Поэтому указание измерительного преобразования отвечает лишь на вопрос, что и во что нужно преобразовать, а указание конкретных измерительных преобразователей отвечает на вопрос о том, как это физически предполагается выполнить.

а) б) в) Рис. 1. Измерительные преобразователи:

а) ртутный термометр; б) биметаллический элемент; в) милливольтметр

Метод измерений, т.е. совокупность отдельных измерительных преобразований, необходимых для восприятия информации о размере измеряемой величины и преобразования ее в такую форму, которая необходима получателю информации, т.е. человеку или машине, наиболее кратко и наглядно можно изобразить в виде структурной схемы измерительного устройства, т. е. в виде схематического изображения совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих все необходимые измерительные преобразования.

6

Составление структурной схемы измерительного прибора рассмотрим на примере рис. 2 и 3, где схематически показано устройство электрического прибора для измерения уровня бензина в баке автомобиля. Высота измеряемого уровня X воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает движок реостата R. Таким образом, эта часть устройства обеспечивает однозначную функциональную зависимость перемещения l от измеряемой величины X. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость R = φ(l). Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока l от сопротивления R. Поэтому шкала электроизмерительного прибора (указателя), по которой отсчитываются показания n, может быть градуирована непосредственно в значениях измеряемого уровня. Таким образом, все измерительные преобразования, используемые в уровнемере (рис. 2), могут быть изображены последовательной цепью

X→l→R→I→α→n

или представлены структурной схемой (рис. 3), где преобразование α→n есть снятие отсчета и регистрация показаний, производимые при использовании визуального указателя человеком-наблюдателем, а в регистрирующих приборах осуществляемые автоматически без участия человека. Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство и указатель (или регистратор), которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяются между собой лишь кабелем или другой линией связи.

7

Датчиком прибора для измерения той или иной величины называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта измерения.

Рис. 2. Устройство электрического прибора для измерения уровня бензина в баке автомобиля

Рис. 3. Структурная схема уровнемера

Требования и эксплуатационные условия на объекте измерения, как правило, более суровы (повышенная температура, вибрации, недостаток места и т. д.), чем в месте отсчета или регистрации. Поэтому непосредственно в точку пространства, в которой необходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринять информацию о значении измеряемой величины и преобразовать ее в вид, пригодный для

8

передачи хотя бы на небольшое расстояние (несколько метров).

Используя возможность дистанционной передачи, остальную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усилители, источники питания и т. д.), называемую измерительным устройством, выполняют в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла, который может быть размещен в более благоприятных условиях и не отягощать объект измерения.

И, наконец, к последнему конструктивному узлу измерительного прибора — устройству представления информации, или указателю результата измерения, — вновь предъявляются специфические требования по его размещению. Ясно, например, что указатель уровня бензина должен находиться на приборном щитке водителя, а указатели приборов для измерения скорости, высоты, курса, запаса горючего самолета должны быть сосредоточены на пилотском приборном щите, в то время как измерительные устройства этих приборов могут размещаться в различных отсеках, а датчики — распределены по всем точкам, в которых производится измерение.

Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных устройств и указателей обеспечивает исключительную гибкость, взаимозаменяемость, быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры.

Возвращаясь к структуре прибора, представленной на рис. 3, видим, что датчиком этого прибора, вынесенным непосредственно на объект измерения, является конструктивная совокупность двух первых преобразователей структурной схемы: предварительного преобразователя, воспринимающего измеряемый уровень, — поплавка с рычажной передачей, и основного — реостатного измерительного преобразователя. Измерительное устройство прибора включает в себя остальные звенья структурной схемы и соединяется с датчиком и указателем только линией связи.

9

Структурные схемы других измерительных приборов могут быть сложнее простейшей структурной схемы рис. 3. Однако основной принцип, заключающийся в том, что любое измерительное устройство представляет собой канал приема и преобразования информации о размере измеряемой величины, образованный последовательной цепью более простых или более сложных измерительных преобразователей, всегда остается справедливым.

2.2. Измерение уровня жидкостей

2.2.1. Разновидности измерительных устройств уровня жидкостей

Устройства для измерения уровня жидкостей можно подразделить на следующие разновидности:

а) механические, использующие для измерения уровня поплавок или другое тело, находящееся на

поверхности жидкости; б) гидростатические, использующие для измерения

уровня сообщающиеся сосуды со средами одинаковой или различной плотности по сравнению с измеряемой средой;

в) манометрические, построенные на принципе измерения разности гидростатических давлений в измеряемой и в сравнительной (эталонной) емкости с помощью дифференциальных манометров;

г) пневмометричсские, построенные на принципе измерения давления воздуха (или иных газов), вдуваемого под слой жидкости;

д) радиоизотопные, построенные на принципах использования интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости;

е) емкостные, использующие для измерения уровня электрические емкости, величина которых зависит от уровня жидкости.

10

2.2.2. Механические уровнемеры

Чувствительным элементом простейшего механического измерителя уровня является поплавок П, плавающий на поверхности жидкости (рис. 4). Поплавок уравновешивается грузом Г. Груз связан с поплавком гибким тросом Тр. Положение груза относительно шкалы III определяет уровень жидкости. Пределы измерения устанавливаются в соответствии с принятыми значениями уровней: верхнего ВУ и нижнего НУ.

Поплавковые измерители применяют и в сосудах под давлением. Однако необходимость устройства в этих случаях сальникового или иного сложного вывода сигнала перемещения поплавка наружу приводит к значительному увеличению зоны нечувствительности измерителя.

Рис. 4. Измерение уровня жидкости с помощью поплавка

Для уравновешивания поплавка применяют иногда вместо грузов пружинные устройства, создающие постоянный момент. Уровнемеры такого типа широко используют для измерения уровня в пределах до 20 м и в резервуарах с нефтепродуктами.

Основной эксплуатационный недостаток поплавков возможность коррозии и протравление тонких стенок поплавка, приводящих к его потоплению. Это ограничивает область применения поплавковых измерителей уровня.

11

Значительно более надежны тонущие поплавки – массивные буйки Б (рис. 5). При измерении уровня жидкости изменяется по закону Архимеда действующая на конец рычага P1 масса буйка и соответственно момент на рычаг. Если измеритель установлен в сосуде под давлением, то обычно применяют бессальниковый вывод с помощью тонкостенной трубки Т, работающей на скручивание. Изменяющийся при колебаниях уровня момент от буйка Б передается через вал В, закрепленный в донышке Д, на трубку Т и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручивания трубки, пропорциональное величине уровня, очень невелико. Поэтому обычно используют усилители Ус, чаще пневматические, соединяемые с донышком Д рычагом Р2.

Длина буйка Б определяется в зависимости от установленных значений уровней: верхнего ВУ и нижнего НУ. Буйковые измерители уровня используют чаще всего как устройства информации в системах автоматического регулирования, защиты и сигнализации.

Рис. 5. Измерение уровня жидкости с помощью тонущего поплавка-буйка

12

Поплавковые и буйковые измерители уровня изготовляют различных конструктивных форм. Диапазон измерения уровня выбирается из ряда: от 0 до 0,25; 0,4: 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16 и 20 м. Класс точности может быть 0,6; 1; 1,6 и 2,5. Для учетно-расчетных операций уровнемеры изготовляют с основными погрешностями от ±1 до 10 мм

(ГОСТ 11846—66 и ГОСТ 13702—68).

2.2.3. Гидростатические уровнемеры

Простейшим гидростатическим измерителем уровня жидкости служит водомерная стеклянная трубка, применяемая как в сосудах под атмосферным давлением, так и под большим давлением или вакуумом (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Измерение уровня жидкости с помощью водомерного стекла: а) открытый сосуд; б) паровой котел

Несмотря на простоту идеи водомерных трубок, еще сто с небольшим лет назад приходилось вести пропаганду за применение их на паровых котлах. В 1850 г. писалось: «...водомерная стеклянная трубка есть инструмент бесценный, без которого ни один паровой котел употребляем быть не должен... Мы усердно советуем всякому хозяину ее употребление...».

13

Уровни в сосуде и в трубке могут быть неодинаковы, если плотности жидкости ρж в сосуде и в трубке ρ, будут различны. Это может произойти за счет различных температур

всосуде и в трубке. У открытого сосуда (рис. 6, а) температура

втрубке будет близка к температуре воздуха, независимо от температуры в сосуде. То же будет наблюдаться и в сосуде под давлением с некипящей жидкостью. В сосуде с кипящей жидкостью, в частности в паровом котле (рис. 6, б), пар будет конденсироваться в верхней части трубки, и в ней будет происходить процесс медленной циркуляции. В результате температура жидкости вверху трубки будет близка к температуре пара и плотность ее близка к ρж, а внизу— будет приближаться к температуре воздуха.

Гидростатические давления, н/м2, в сосуде и в трубке равны друг другу (рис. 6):

где g = 9,81 м/сек2, откуда

Расхождение уровней может быть значительным. Например, для парового котла при давлении 100 кгс/см2 плотность ρж ≈ 694 кг/м3. Если принять среднюю температуру в трубке 100°С, то ρт ≈ 963 кг/м3. Отсюда по (2.2) уровень h = 0.72Н. Нa практике для получения точного значения уровня предварительно продувают трубку, заполняя ее жидкостью из котла. Тогда, в первый момент, ρж ≈ ρт и погрешность показаний будет близка к нулю.

В современных парогенераторах использовать простые водомерные трубки неудобно. Измерители уровня необходимо перенести вниз на пост управления или, как минимум, на отметку поста управления.

14

2.2.4. Манометрические уровнемеры

Для измерения уровня жидкостей можно использовать дифференциальные манометры промышленных типов (поплавковые, мембранные, сильфонные), отградуировав их в единицах уровня – сантиметрах. В этих случаях можно осуществить телеметрическую передачу показаний на большие расстояния.

Принципиальная схема их установки получается аналогичной схеме, изображенной на рис.7, как для сосудов под атмосферным давлением, так и под большим давлением или вакуумом. Дифференциальный манометр показывает разность гидростатических давлений измеряемого и уравнительного (с постоянным уровнем) сосудов.

При измерении уровня в открытых сосудах можно не применять уравнительных сосудов, а просто измерять уровень по показаниям простого, не дифференциального манометра. Однако в таком случае необходимо строго учитывать высоту гидростатического столба в соединительных линиях (размер Н) и вводить в каждом случае свои значения поправок. Применение – уравнительных сосудов делает измерения независящими от высоты Н.

Уравнительные сосуды для уровнемеров изготовляют по стандартам.

Гидростатические давления в измеряемом и уравнительном сосудах будут равны друг другу, если:

а) уровни в них одинаковы; б) температура жидкости в измеряемом сосуде

равна температуре окружающей среды; в) соединительные линии заполнены той же

жидкостью, что и в измеряемом сосуде.

Если температура t жидкости в измеряемом сосуде не будет равна температуре окружающей среды, то при прочих

равных условиях возникает разность гидростатических давлений, н/м2

15

где H0 – диапазон измерения уровня, м;

– соответственно плотность жидкости в соединительных линиях и в измерительном сосуде, кг/м3.

Очевидно, что в таких случаях при всех значениях уровня дифманометр будет иметь систематическую погрешность, равную . При изменении температуры жидкости соответственно изменится и величина . Особенно заметно проявляется эта погрешность при измерениях уровня в барабанах паровых котлов при относительно высоких температурах в барабане.

При измерениях уровня воды в барабанах паровых котлов для снижения погрешности , применяют двухкамерные уравнительные сосуды (рис. 7). В верхней половине сосуда вода непрерывно подогревается паром из котла, заполняющего узкую трубку и температура воды практически совпадает с температурой в барабане. Конденсация пара в узкой трубке приводит к медленной циркуляции в ней конденсата. В нижней половине уравнительного сосуда прогрев воды за счет тепла конденсата пара в узкой трубке происходит менее интенсивно.

Рис. 7. Схема двухкамерного уравнительного сосуда

16

Температура воды в нижней половине уравнительного сосуда устанавливается немного ниже, чем в верхней. Однако при хорошей внешней тепловой изоляции сосуда погрешность получается близкой к нулю.

Иногда в двухкамерных сосудах применяют иное расположение уравнительного сосуда – внутри сосуда переменного уровня. В этом случае нижняя половина уравнительного сосуда прогревается лучше, чем у сосуда: изображенного на рисунке 7, и погрешность получается еще меньше.

Поплавковые дифманометры, используемые как уровнемеры, в разновидностях в соответствии с ГОСТ 12007 – 66, выпускаются для диапазона измерения Н0 от 63 до 1000 см.

Мембранные дифманометры по ГОСТ 12005 – 66 выпускаются для измерения уровня в более широком диапазоне Н0 от 25 до 6300 см.

Сильфонные дифманометры с отсчетными устройствами ( без телеметрической передачи показаний) выпускаются для диапазона измерения уровня Н0 от 63 до 1600 см, а без отсчетных устройств (с телеметрической системой передачи показаний) для Н0 от 25 до 6300 см.

2.2.5. Пневмометрические уровнемеры

При пневмометрических измерениях уровня жидкостей используют идею гидравлического затвора, устанавливающего предельное давление в пневматической системе.

Для измерения уровня (рис. 8) используют воздух или инертные газы под давлением

где - давлением над жидкостью в измеряемом сосуде;

Н – высота уровня жидкости;

- плотность измеряемой жидкости.

17

Воздух продувают сквозь слой жидкости. Количество продуваемого воздуха ограничивают диафрагмой D или иным способом так, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Это приближает к нулю потери на трение в трубопроводе после диафрагмы D.

Рис. 8. Схема пневмометрического измерения уровня: а) неагрессивной жидкости под давлением; б) агрессивной жидкости под давлением

Уровень жидкости определяется по установившемуся давлению (P- Px) в системе:

P − Px = Hg,

откуда

Давление (Р – Рх) определяется по высоте h столба жидкостного манометра с замыкающей жидкостью плотностью или любым иным способом.

В простейших уровнемерах давления Pп создают ручным поршневым насосом, определяя уровень по величине максимального отклонения давления (Р – Рх). Возможен и непрерывный подвод воздуха (или газа) от любого источника сжатого воздуха (или газа).

18