книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

ствие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора.

Диапазон измерения расхода приборами данного типа теоре­ тически неограничен. Погрешность ультразвуковых расходо­ меров составляет примерно ± 2%.

§ 59* Калориметрические расходомеры

Принцип действия этих расходомеров основан на нагреве потока жидкости или газа посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от скорости потока и от расхода тепла в нагревателе.

Если пренебречь теплом, отдаваемым потоком в окружающую среду, то уравнение теплового баланса между расходом тепла, потребляемым нагревателем, и теплом, сообщенным потоку, будет

На основании выражений (158) и (159) массовый расход

п0,2412R

kcp At •

Калориметрические расходомеры разделяются на две группы, В первой из них расход определяется по величине мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную раз­ ность температур At. Во второй группе расход определяется по разности температур At при неизменной мощности, подводи­ мой к нагревателю. Разность температур At обычно измеряется с помощью термопар или термометров сопротивления. Последние обладают тем преимуществом, что их можно выполнить в виде равномерной сетки, перекрывающей все сечение потока и, таким образом, измерять среднюю по сечению температуру. Измеряемая среда обычно нагревается на 1—3° С, поэтому даже при измерении

230

Раздел пятый

ИЗМ ЕРЕНИЕ УРОВНЯ Ж ИДКОСТЕЙ

И СЫ ПУЧИ Х ТЕЛ

Целью измерения уровня жидкостей и сыпучих тел является определение количества вещества в емкости и контроль за поло­

срабатывают при достижении определенного уровня; они исполь­ зуются для сигнализации и поэтому называются сигнализаторами

часто работает в условиях высоких температур и давлений, а также особыми свойствами контролируемых сред (агрессивностью, ток­ сичностью, большой вязкостью и т. п.).

Глава X X III

Уровнемеры для жидкостей и сыпучих тел

Наиболее распространенными приборами для измерения уровня жидкости являются указательные стекла, поплавковые, гидро­ статические, электрические, изотопные и ультразвуковые уровне­ меры.

§ 60. Указательные стекла

Работа указательных стекол для жидкостей основана на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соеди­ няется с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разре-

232

жен нем). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклян­ ной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.

Указательные стекла снабжаются вентилями или кранами для отключения их от сосуда и для продувки системы. В арматуру указательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводятся предохранительные устройства, автоматически закры­ вающие каналы в головках при случайной поломке стекла.

Рис. 165. Указательные стекла:

Указательное стекло отраженного света представляет собой толстую стеклянную пластину, на поверхности которой, обра­ щенной к жидкости, нанесены параллельные канавки. Лучи света, попадая на стекло, отражаются от наклонных граней канавок в газовой области и проходят внутрь, в область запол­ нения жидкостью. Поэтому часть стекла, соприкасающаяся сжидко­ стью, кажется темной, а часть стекла, соприкасающаяся с парами или газом — серебристо-белой. Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МН/м2 (30 кгс/см2) и температуру до 300° С.

Указательные стекла не рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол (рис. 165, в) так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.

§61. Поплавковые уровнемеры

Впоплавковом уровнемере за уровнем жидкости следит по­ плавок, перемещение которого передается на показывающее устрой­ ство или преобразователь для преобразования перемещения или

силы в выходной сигнал.

233

Подъемная сила поплавка в общем случае (рис. 166) по закону Архимеда

р— плотность жидкости, в которую погружена нижняя часть поплавка;

s (х) — площадь сечения поплавка. Для поплавка постоянного сечения

F = shp0g + (р — p0)gsx,

где h — высота поплавка.

Если над жидкостью газ (воздух), то р0 = 0. Тогда в общем случае

л

const и поплавок повторяет изменение уровня жидкости, т. е.

X = / (Я),

где Н — уровень жидкости.

Во втором случае противодействующая сила создается пружи­ ной и изменяется при перемещении поплавка. При этом поплавок имеет форму длинного цилиндра (буйка) переменного погружения.

На рис. 167 показано простейшее устройство с поплавком постоянного погружения. Поплавок подвешен на гибком тросе, перекинутом через ролики. На другом конце троса укреплен груз для поддержания постоянного натяжения троса. На тросе закреплена стрелка, показывающая на шкале уровень жидкости. Таким простым устройством можно измерять уровень с доста­ точной для большинства случаев точностью.

Недостатками простого поплавкового уровнемера являются пе­ ревернутая шкала (с нулем у верхнего края бака), трудность отсчета в начале шкалы у высокого резервуара, погрешность

234

из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса прибавляется сила тяжести троса).

Недостатки простого поплавкового уровнемера устранены в поплавковом уровнемере, схема которого показана на рис. 168.

Поплавок 2 подвешен на тросе 3, навивающемся на мери­ тельный барабан 4, один оборот которого соответствует переме­

вешенным на тросе 9 к барабану 10, установленному на общей оси с мерительным барабаном.

Вторичный прибор состоит из сельсина, кинематически свя­ занного со счетным механизмом. При вращении ротора сельсина поворачиваются барабаны счетного механизма и в окошечках счетчика появляются цифры, показывающие положение уровня. Во вторичном приборе имеются два контакта для сигнализации предельных положений уровня. Контакты могут быть настроены на любые точки в пределах шкалы прибора. Диапазон измерения уровня до 10 м.

На рис. 169 показан камерный поплавковый уровнемер. Он состоит из чугунного или стального корпуса 1, соединяющегося с аппаратом трубками, ввертываемыми в бобышки 2 и 3. Внутри корпуса помещен шарообразный тонкостенный поплавок 4, укреп­ ленный на рычаге, вращающем ось 5, один конец которой выходит из корпуса через сальник 6. На конце оси, выходящем из корпуса, насажена стрелка 7. Для работы при высоком давлении внутрен­ няя полость поплавка соединена с окружающей средой трубкой 8.

235

позволяющим при накоплении жидкости внутри поплавка вы­ пустить ее наружу.

При измерении уровня агрессивных жидкостей поплавок изготовляется из коррозионно-стойкого материала. Поплавковый указатель может быть снаб­ жен устройством для сигна­ лизации и передачи показа­ ний на расстояние. Диапазон измерения такого прибора

порядка ±150 мм.

ти л ь

На рис. 170 показана схема перемещения цилиндрического поплавка переменного погружения.

В положении, показанном на рис. 170, а, условие равновесия

236

Из выражения (162) следует, что перемещение поплавка про­ порционально изменению уровня жидкости; коэффициент про­ порциональности меньше единицы (равен единице при Z = 0) и зависит от жесткости пружины. С увеличением жесткости пру­ жины относительное перемещение поплавка снижается

На рис. 171 показана схема уровнемера с поплавком перемен­ ного погружения (буйковый уровнемер) и с пневматической передачей показаний на расстояние. Поплавок подвешен к ры­ чагу 2, укрепленному на конце упругой торсионной трубки 3.

Рис. 171. Принципиальная схема уровнемера с поплав­ ком переменного погружения и с пневматической переда­ чей показаний на расстояние;

бор

Поплавок своей тяжестью закручивает торсионную трубку и сталь­ ной стержень 4, который находится внутри трубки 3 и одним концом плотно связан с ней; угол закручивания пропорционален силе тяжести поплавка, изменяющейся при изменении уровня жидкости из-за изменения выталкивающей силы погруженной части поплавка. Собственный вес поплавка рассчитан так, чтобы при полном его погружении в жидкость поплавок не всплывал.

На свободном конце стержня 4 укреплена заслонка 5 пневмо­ устройства 7. При повороте стержня торсионной трубки заслонка отклоняется относительно сопла 6 на такой же угол. Пневмо­ устройство 7 преобразует угловое перемещение заслонки в про­ порциональное изменение давления воздуха, измеряемого при­ бором 8, шкала которого отградуирована в единицах уровня.

§62.1 Гидростатические уровнемеры

Вэтих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к. измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. р = Hpg. Существуют гидростатические уровне­

меры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометри­ ческие уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости.

Пьезометрические уровнемеры (рис. 172) применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе агрессив-

237

ных и вязких жидкостей в открытых резервуарах и в сосудах под давлением. Сжатый воздух или газ, пройдя дроссель 1 и рота­ метр 2, попадает в пьезометрическую трубку 3, находящуюся в резервуаре. Давление воздуха (газа), измеряемое манометром 4 любой системы, характеризует положение уровня жидкости в ре­ зервуаре. С начала подачи воздуха давление будет повышаться до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости

(примерно один пузырек в секунду). Величина расхода воздуха устанавливается регулируемым дросселем 1, а контроль осуще­ ствляется при помощи ротаметра 2 или путем подсчета количе­ ства пузырьков, проходящих через жидкость в контрольном стеклянном сосуде.

При измерении уровня жидкостей следует учитывать воз­ можность образования при определенных условиях статического электричества. Поэтому при контроле легковоспламеняющихся

ивзрывоопасных жидкостей (сероуглерода, бензола, масел и пр.)

вкачестве сжатого газа применяют двуокись углерода, азот, дымовые газы или специальные пьезометрические уровнемеры.

Другим видом гидростатических уровнемеров является дифманометр любой системы, измеряющий давление столба жидкости

всосуде. Дифманометрами можно измерять уровень в открытых

изакрытых сосудах, т. е. в сосудах, находящихся под давлением

иразрежением. На рис. 173, а показана схема трубных соеди-

238

нений при измерении уровня в открытом резервуаре и установке дифманометра ниже его дна.

При применении дифманометров для измерения уровня обя­ зательно устанавливается уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня той же жидкостью, что имеется в ре­ зервуаре. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение по­ стоянного столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра изме­ няется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значению уровня в резервуаре соответствует определенный перепад давле­ ния, что позволяет по величине перепада, показываемого дифманометром, судить о положении уровня.

На рис. 173, б показана схема соединения дифманометра при измерении уровня жидкости в сосуде, находящемся под давле­ нием, и при установке дифманометра ниже дна сосуда. В этом случае уравнительный сосуд устанавливается на высоте макси­ мального уровня и соединяется с контролируемым сосудом.

При измерении уровня агрессивной жидкости дифманометр защищается от действия агрессивной среды.

§63. Электрические уровнемеры

Вэлектрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал.

Из электрических уровнеме­ ров наибольшее распростране­

ние получили емкостные и омические. В емкостных уров­ немерах используются диэлек­ трические свойства контроли­ руемых сред; в омических — свойство контролируемой среды проводить электрический ток.

Емкостный уровнемер. Емко­ стный преобразователь являет­ ся электрическим конденсато­

параллельно расположенных пластин, между которыми на вы­ соте h находится жидкость.

Емкость преобразователя будет равна сумме емкостей двух участков —• погруженного в жидкость с диэлектрической про-

239