Технические измерения и приборы

8.3. ПОПЛАВКОВЫЕ И БУЙКОВЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Поплавковым называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погружаемого в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости неизменна. Об уровне судят по положению указателя, соединенного с поплавком гибкой (лента, трос) или жесткой механической связью. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. При движении поплавка на него действуют следующие силы:

–сила тяжести поплавка G,

–выталкивающая сила газовой и жидкой фаз,

–силы сопротивления Pc в подвижных элементах уровнемера.

Поплавковые уровнемеры используются для измерения уровня в резервуарах при невысоком избыточном давлении, поэтому выталкивающей силой газовой фазы на поплавок можно пренебречь. В этом случае силы, действующие на поплавок, связаны соотношением

Объем Vж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на ж изменяется объем погруженной части на Vж , что приводит к изменению осадки, т.е. к появлению дополнительной погрешности.

Таким образом, объем погруженной части Vж , а следовательно,

осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируе-

261

мой жидкости. Для уменьшения этой погрешности целесообразно уменьшение осадки поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо уменьшением сил Pc , либо облегчением поплавка.

Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Значение сил сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера.

Наибольшее распространение получили уровнемеры с механической связью поплавка с измерительной схемой, причем эта связь может быть образована как гибкими элементами (тросом, лентой), так и жесткими (рычагом, рейкой). Использование гибких элементов практически исключено в уровнемерах для сосудов под давлением из-за сложности герметизации выводов. Герметизация проще обеспечивается в рычажных уровнемерах, однако их недостатком является небольшой диапазон измерения – до нескольких десятков сантиметров (при гибкой связи диапазон измерения достигает 12 м).

Поплавок может нести перемычку, закорачивающую по мере изменения уровня две параллельные струны из высокоомного материала, расположенные по высоте сосуда, применяется также индуктивный способ определения положения поплавка.

Поплавковые уровнемеры обладают определенными достоинствами: простотой устройства, большим диапазоном измерения, достаточно высокой точностью, возможностью измерения уровня агрессивных и вязких сред, широким температурным диапазоном измерения.

Недостатки, ограничивающие их применение: наличие поплавка в резервуаре, трудности измерения уровня в резервуарах под давлением.

Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости.

Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) – буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 8.8).

262

Sб – площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

x h 1 c( ж г )gSб . (8.7)

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть увеличена увеличением Sб или уменьшением жесткости подвески c.

Из (8.7) легко установить, что при использовании конкретного уровнемера дополнительные погрешности могут возникнуть за счет изменения величин c, Sб, ж – г . Причиной изменения этих величин является изменение температуры и давления в сосуде, при этом наибольшей является погрешность, вызванная изменением ж – г .

На рис. 8.9 изображена схема уровнемера с торсионной подвеской и пневматическим выходом.

263

Буйковые уровнемеры, в зависимости от конструкции, могут применяться при температуре до 400 °C, давлении до 10 МПа, диапазон измерения может составлять от 0 до 0,04 м или от 0 до 16 м. Погрешность измерения – 1,0; 1,5 %. Унифицированный выходной токовый сигнал – 0 5 мА.

8.4. ЕМКОСТНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Емкостными называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от уровня жидкости.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие удельное сопротивление менее 106 Ом м и диэлектрическую проницаемость ж 7. Различие

преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней; в качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

На рис. 8.5, а изображен конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня.

Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой h заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой H – h – ее парами.

265

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Zпр кроме емкостей C1 и C2 определяется также емкостью Cи проходного изолятора и его активным сопротивлением Rи (емкость Cи образуется электродами преобразователя на участке a; сопротивление Rи обусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля. Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рис. 8.5, б. Суммарная емкость преобразователя

(например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т.д.). В емкостных уровнемерах для измерения электрической емко-

сти преобразователя используются резонансные и мостовые схемы. Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых

может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ

267

Мост состоит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр (питаемого генератором Г), емкости преобразователя Cпр и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость Cпр растет, разбаланс моста увеличивается н напряжение на входе усилителя возрастает. Усилителем этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП. Диапазоны измерения уровнемеров ЭИУ определяются типом преобразователя и могут изменяться от 1 до 20 м; предел допускаемой основной погрешности 2,5 %.

Емкостные уровнемеры нашли широкое распространение из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя на резервуаре, отсутствия подвижных элементов, возможности использования в достаточно широком интервале температур (от криогенных до плюс 200 °С) и давлений (до 6 МПа). К числу недостатков их следует отнести непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Па с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором.

8.5. ИНДУКТИВНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Принцип действия индуктивных уровнемеров основан на зависимости индуктивности одиночной катушки или взаимной индуктивности двух катушек от глубины погружения их в электропроводную жидкость. Такая зависимость обусловлена возникновением в жидкости под действием магнитного поля переменного тока возбуждения вихревых токов, магнитное поле которых оказывает размагничивающее действие на поле тока возбуждения. Действительно, по определению индуктивность L катушки представляет собой отношение магнитного потока Ф к току I, создающему этот поток: L = Ф/I. При погружении катушки в жидкость в ней создаются вихревые токи,

268

магнитное поле которых по закону Ленца направлено навстречу основному, т.е. результирующий магнитный поток будет меньше потока «сухой» катушки. Это означает, что индуктивность погруженной катушки меньше индуктивности сухой катушки. Таким образом, если индуктивный преобразователь представляет собой одиночную длинную катушку, то ее индуктивность и полное сопротивление Z = R + j L будут зависеть от глубины погружения (R – активное сопротивление катушки,

– круговая частота тока возбуждения). Существуют индуктивные преобразователи, содержащие две индуктивно связанные катушки, образующие трансформатор (трансформаторные преобразователи).

Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня.

8.6. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Для измерения уровня широко используются ультразвуковые датчики.

Распространение ультразвуковых (> 20000 Гц) колебаний в твердых, жидких, газообразных средах зависит от свойств среды. Скорость распространения этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей – от 1100 до 2000, для твердых металлов – от 1500 до 8000 м/с. В газах скорость колебаний сильно зависит от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощающая способность разных сред. Коэффициент отражения (соотношение энергии отраженной и падающей волны) на границе «вода – сталь» составляет 0,88, на границе «вода – трансформаторное масло» – 0,6. Даже при малых коэффициентах отражения полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измерения положения уровня раздела двух сред. Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без изме-

269

рительных вводов в резервуар. В ультразвуковых датчиках информация о различных неэлектрических величинах получается благодаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, значения амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний. Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используются пьезоэлеметы. Пьезокристалл, к которому приложено переменное напряжение, сжимается и растягивается. В свою очередь, давление, приложенное к пьезокристаллу, вызывает появление электрического заряда на гранях кристалла. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно как излучателем, так и приемником ультразвуковых колебаний.

Примеры ультразвуковых измерительных систем:

1. В эхолоте, измеряющем глубину моря, ультразвуковые колебания пьезоэлемента направляются вертикально вниз, отражаются

2.Локаторы, определяющие расстояние до препятствия на пути движущегося объекта в горизонтальном направлении (корабль, робокар, летучая мышь).

3.Обнаружение дефектов в металлических деталях: трещины

визделиях, полости в отливках.

4.Ультразвуковые датчики, широко использующиеся в прибо-

рах для измерения расхода, уровня, давления.

В подобных технических измерительных системах используются генераторы напряжения частотой более 20 кГц или импульсные генераторы. Последние используются в уровнемерах, когда пьезоэлемент попеременно работает то излучателем, то приемником ультразвука.

В результате многократного отражения посланного импульса

могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса.

270