книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

§ ІѴ.З. РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА

Расходомеры постоянного перепада— ротаметры—применяют для измерения расхода жидкостей или газов. Устройство ротамет­ ров основано на уравновешивании массы поплавка силой восходя­ щего потока жидкости или газа, действующей на тело поплавка снизу.

Ротаметр (рис. IV. 17) состоит из конусной вертикально уста­ новленной трубки 1 и свободно перемещающегося в ней поплавкаротора 2. При протекании через трубку поступающего снизу потока жидкости или газа среднее давление его р2 над поплавком меньше, чем давление рх под поплавком. В результате возникает подъемная сила, равная произведению перепада давления на площадь наиболь­ шего сечения поплавка, под действием которой поплавок будет под­ ниматься. При подъеме поплавка зазор между трубкой и поплавком увеличивается, скорость потока в зазоре падает, в результате чего уменьшается перепад давлений и, следовательно, подъемная сила. Как только величина подъемной силы становится равной массе по­ плавка, наступает равновесие и поплавок останавливается на опре­ деленной высоте в зависимости от величины расхода. Величину рас-

70

хода измеряемой среды определяют по положению поплавка на шка­ ле 3. В верхней части поплавка имеются косые прорези, в результа­ те чего поплавок приводится потоком во вращательное движение и находится в центре потока, не касаясь стенок трубки.

Объемный расход Q, м3/ч для ротаметра можно найти из уравнения

где а — коэффициент расхода; определяется экспериментальным путем при градуировке ротаметра; F — площадь сечения кольцевого зазора в м2; g —

ускорение силы тяжести в м/с2; ѵ — плотность материала поплавка в кг/м3; ч0 — то же, измеряемой среды в кг/м3; V — объем поплавка в м3; J — наи­

большее поперечное сечение поплавка в м2.

Промышленность выпускает несколько типов ротаметров. Ротаметр РЭД (рис. IV. 18) — бесшкальный измеритель рас­

хода и дифференциально-трансформаторный преобразователь. Он работает в комплекте со вторичными приборами.

Внутри стального корпуса 1 имеется камера 2 и коническая труб­ ка 3, установленная расширением вверх. В нижнюю часть корпуса одним концом впаяна направляющая трубка 4. Другой конец имеет глухую пробку 5, предназначенную для очистки трубки. На труб­ ку насажена индукционная катушка 6, закрытая кожухом 7. В ниж­ нюю часть кожуха ввернута регулировочная гайка 8, вращением ко­ торой перемещают индукционную катушку при тарировке ротамет­ ра. Внутри конической трубки 3 расположен поплавок 9 со стер­ жнем 10. Стержень пропущен через упорную шайбу 11 и направляю­ щую трубку. На нижнем конце стержня закреплен плунжер 12 индукционного преобразователя. Поток жидкости через штуцер 13 поступает в камеру 2 и далее через упорную шайбу 14 в коничес­ кую трубку 3. Под действием напора жидкости поплавок 9 переме­ щается вверх и увлекает за собой плунжер 12 индукционного пре­ образователя. Перемещение плунжера приводит к разбалансу диф­ ференциально-трансформаторной схемы и на вторичный прибор по­ ступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Величина хода поплавка ограничена упорными шайбами 14 к 11.

Ротаметр градуируют по воде. При измерении расхода другой жидкости необходимо пересчитать шкалу вторичного прибора.

Ротаметр РПД (рис. IV. 19) — первичное измерительное уст­ ройство для пневматической дистанционной передачи показаний. Прибор работает в комплекте с вторичными приборами.

Прибор состоит из собственно ротаметра с показывающим ус­ тройством и механизма пневматической дистанционной передачи. Чувствительный орган ротаметра — поплавок 1, перемещающийся в кольцевой кромке диафрагмы 2, которая вмонтирована в корпус 3. Поток жидкости, проходящей внутри корпуса ротаметра через диаф­ рагму 2, создает подъемную силу и перемещает поплавок вверх. По мере изменения расхода изменяется проходное сечение между диафрагмой и поплавком. Диафрагма вместе с поплавком образуют

71

сужающее устройство переменного сечения, перепад давлений на ко­ тором всегда остается постоянным. Величина перепада обусловли­ вается массой поплавка, а также плотностью и вязкостью измеряемой жидкости.

С поплавком 1 жестко связан стержень 4, имеющий вверху два магнита 5, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Пере­ мещение вверх или вниз поплавка вызывает соответствующее пере­ мещение магнитов внутри цилиндрической гильзы 6, выполненной из немагнитной стали. Магниты 5 вместе с магнитами 7, установ-

Рис. IV. 19. Схема ротаметра РПД с пневматической передачей показаний

ленными на конце рычага 8, образуют магнитную муфту, при по­ мощи которой перемещение поплавка передается на рычаг 8 и стрелку 9, указывающую величину измеряемого расхода по шкале 10. Это перемещение одновременно передается механизму пневма­ тической дистанционной передачи, который состоит из рычагов 11 и 12, заслонки 13, сопла 14, постоянного дросселя 15, сильфонного усилителя выходного сигнала 16 и узла обратной связи — сильфо­ на 17, штока 18 и промежуточного рычага 19. В целях уменьшения колебаний стрелки 9 на рычаге 8 установлен демпфер 20. Давление воздуха питания 0,14 МПа (1,4 кгс/см2). Выходной сигнал изменяется

72

§ IV.4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

Измерение уровня жидкостей или сыпучих материалов, находя­ щихся в бункерах, силосах, баках и подобных емкостях, необходи­ мо для установления количества их, а в ряде случаев для обеспече­ ния поддержания заданного уровня.

Приборы, применяемые для измерения уровня, разделяют на две основные группы: указатели предельного уровня и уровнемеры. В свою очередь уровнемеры можно разделить на приборы узкого и широкого диапазона измерения. Уровнемеры узкого диапазона из­ мерения имеют нулевую точку в середине шкалы, соответствующую требуемой высоте уровня, и деления, показывающие отклонения от нормального уровня в обе стороны от нуля. Уровнемеры второй груп­ пы имеют одностороннюю шкалу. Деления шкалы в этом случае пока­ зывают высоту уровня над дномхосуда.

Приборы для измерения уровня бывают:

1)визуальные (с непосредственными наблюдениями за-положе­ нием уровня);

2)поплавковые, у которых чувствительный элемент — попла­ вок погружен в измеряемую жидкость;

3)мембранные, у которых чувствительный элемент — мембрана

идавление столба жидкости уравновешиваются упругой деформа­ цией пружины;

4)манометры или дифференциальные манометры (поплавковые,

мембранные), у которых давление, создаваемое столбом жидкости в измеряемом резервуаре и в уравнительном сосуде, уравновеши­ вается давлением столба затворной жидкости или механизмом при­ бора;

5)емкостные, у которых используется изменение электрической емкости преобразователя при изменении уровня измеряемой среды;

6)радиоактивные, основанные на изменении протекающего через измеряемую среду потока излучения при изменении уровня.

Визуальные уровнемеры (рис. IV.20) построены по принципу сообщающихся сосудов. Уровнемеры имеют стекло /, закрепляемое

стаким расчетом, чтобы середина его находилась на высоте требуе­ мого уровня жидкости. При этом высота стекла должна охватывать всю зону колебания уровня. Стекло закреплено в стальном патроне 2, при помощи трубок 3 и 4 соединенном с сосудом (бак, котел и т. п.), уровень жидкости в котором требуется измерять.

Поплавковые уровнемеры построены на том, что поплавок, час­ тично погруженный в жидкость, при изменении уровня жидкости

всосуде может перемещаться по вертикали, фиксируя тем самым ее уровень.

Поплавковый сигнализатор уровня жидкости предназначен для контроля за положением уровня жидкости в различного рода резер­ вуарах (рис. IV.21).

Чувствительный элемент сигнализатора — поплавок. В качестве контактного устройства использованы два ртутных переключателя:

73

один — разомкнутый, другой — замкнутый. При достижении верх­ него или нижнего положения контролируемого уровня поплавок при помощи тяги поворачивает ртутные переключатели, при этом замы­ кается одна из электрических сигнальных цепей и одновременно раз­ мыкается другая. В промежутке между нижним и верхним положе­ ниями уровня одна из электрических цепей всегда замкнута, другая разомкнута. Переключение электрических ртутных контактов может быть связано с устройствами, которые изменяют уровень жидкости (насос, кран и т. п.), или устройствами сигнализации.

Для сигнализации предельных значений уровня воды в открытых резервуарах применяют поплавковые реле РМ (рис. IV.22), предназ­ наченные для контроля за двумя положениями уровня в пределах 0,5—10 м. Чувствительный элемент реле — поплавок 1 подвешен к тросу 2, огибающему блок 3; на другом конце троса прикреплен контргруз 4. Контактное устройство — реле 5 представляет собой пружинный переключатель мгновенного действия с одним открытым и одним закрытым ртутным контактом. Переключение контактов происходит при помощи муфт 6, установленных на тросе, при дости­ жении заданного нижнего или верхнего уровня жидкости. Муфты 6 перемещаются вместе с тросом и при достижении поплавком задан­ ного уровня упираются в рычаг 7, который может поворачиваться на оси 8. При его помощи переключают контакты реле 5. Переключаю­ щиеся ртутные контакты могут быть использованы в цепях сигнали­ зации положения уровня или для включения или выключения насо-

74

сов, подающих жидкость в резервуар или откачивающих жидкость

из него.

Принцип действия мембранного уровнемера (рис. IV.23) осно­ ван на уравновешивании давления гидростатического столба жид­ кости силой упругой деформации мембраны. Давление измеряемой жидкости подается к штуцеру 1. Отверстие в штуцере сообщается с мембраной 2. Под действием давления мембрана прогибается, а вместе с мембраной прогибается и пружина 3, в которую упирается штифтѣ, закрепленный в стержне 5 мембраны. Стержень мембраны

Рис. ІѴ.22. Схема поРис. ІѴ.23. Схема мембранного уровнемера плавкового уровнемера

соединен с вилкой 6, закрепленной на оси 7. Таким образом, переме­ щение стержня мембраны вызывает поворот оси 7, на которой жестко укреплен рычаг 8. Этот рычаг через поводок 9 и тягу 10 соединяется с рычагом 11, жестко закрепленным на одной оси с зубчатым секто­ ром 12. Поворот сектора вызывает вращение трубки 13 и стрелки

14.

Дифференциальные манометры позволяют измерять уровень жид­ кости в сосудах, находящихся под давлением и без него. Диапазон измеряемого уровня очень широк: от нескольких миллиметров до не­ скольких метров. Кроме того, результаты измерения можно переда­ вать различными способами (пневматическим, электрическим и т. п.) на расстояние.

На рис. ІѴ.24 приведена принципиальная схема измерения уров­ ня жидкости в открытом резервуаре при помощи дифманометра. Та­ кую схему применяют, например, для измерения уровней в резер­ вуарах водонапорных башен. Дифманометр 1 при помощи стальной трубки 2 присоединяют к резервуару 3, уровень в котором измеряют.

75

Величина перепада давления в камерах дифманометра равна давле­ нию столба жидкости в резервуаре и определяет уровень Н запол­ нения резервуара. Обычно дифманометр устанавливают ниже дна резервуара. В связи с этим для устранения влияния на показания дифманометра столба жидкости в соединительной трубке устанав­

тирной линией).

Емкостные уровнемеры предназначены для контроля и сигнализа­ ции положения уровня материала в резервуарах, бункерах и т. п. В качестве контролируемых сред могут быть жидкие, гранулирован­ ные, мелкокусковые и другие материалы.

Сигнализатор уровня ЭСУ состоит из электронного блока и ем­ костного преобразователя, соединенных кабелем. На рис. IV.25, а показана установка трех сигнализаторов на баке для контроля трех

Рис. ІѴ.25. Сигнализатор уровня ЭСУ

а — схема установки прибора; б — электрическая схема прибора; 1 — электронный блок; 2 — емкостный преобразователь

положений уровня. Электронный блок прибора (рис. ІѴ.25, б) со­ стоит из генератора высокой частоты, собранного на электронной лампе и электрически связанного с емкостным преобразователем.

Принцип действия сигнализатора уровня основан на изменении величины емкости электрода преобразователя в зависимости от из­

76

Г Л А В А V

ДИСТАНЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИИ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Измерительные приборы могут быть установлены на небольшом расстоянии от места измерения (примерно до 50 м). Дальнейшее уве­ личение этого расстояния приводит к появлению дополнительных погрешностей у электрических преобразователей и увеличению за­ паздывания показаний прибора у пневматических преобразователей, что недопустимо при контроле многих технологических процессов. При необходимости передачи показаний на расстояние более 50 м от точки замера используют электрические или пневматические си­ стемы передачи показаний с первичного прибора на вторичный. Первичный прибор устанавливают у объекта измерения, вторичный прибор может быть расположен на расстоянии в несколько сот мет­ ров от первичного. В первичном приборе измеряемый параметр пре­ образуется в пропорциональную ему величину электрического на­ пряжения, тока или давления, которая перемещает стрелку вто­ ричного прибора. Существует несколько систем передачи показа­ ний.

§ Ѵ.І. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СИСТЕМА

Работа дифференциально-трансформаторной системы основа­ на на принципе компенсации разности трансформируемых напря­ жений в катушках первичного и вторичного приборов (рис. Ѵ.І)^. В систему входят две одинаковые катушки Д ТХи Д Т 2, электронный усилитель ЭУ и двухфазный электродвигатель РД, перемещающий сердечник катушки Д Т г. С выходным валом электродвигателя свя­ заны показывающая стрелка и самопишущее устройство, перо ко­ торого перемещается по движущейся диаграммной ленте. Первичные обмотки катушек соединены последовательно и питаются перемен­ ным током от силового трансформатора, входящего в блок электрон­ ного усилителя ЭУ. Вторичные обмотки включены встречно. Сер­ дечник катушки Д Т1связан с измерительной системой Д. Когда сер­ дечник катушки находится в среднем (нейтральном) положении, э.д. с. ех и е2, индуктируемые в каждой из вторичных обмоток, бу­ дут равны и направлены навстречу друг другу. Следовательно, разность э. д. с. во вторичных катушках будет равна нулю

АUx = ех — е%= 0.

79