Методические указания и контрольные задания по дисциплине Технические измерения и приборы

21

3.Измерение уровня

Внастоящее время существует большое число методов

измерения уровня жидкостей и сыпучих тел. Одним из наиболее распространенных методов измерения уровня жидкостей является измерение гидростатического давления столба жидкости, осуществляемое водомерными стеклами и их разновидностями, а также манометрическими или пневмометрическими устройствами. 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. Например, для одной и той же схемы измерения уровня в барабане парогенератора гидростатическим методом применение мембранных дифманометров вместо поплавковых существенно уменьшает возможные погрешности измерения уровня. Это объясняется тем, что объем жидкости, перемещающейся в мембранных дифманометрах при изменении измеряемого уровня, значительно меньше, чем в поплавковых.

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

Одними из наиболее простых и надежных являются поплавковые уров-

немеры. Однако они практически не могут применяться при высоких

22

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.

Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения как не-

проводящих, 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. Схемное исполнение электронной части емкостных уровнемеров достаточно сложно, что ограничивает их широкое распространение.

Радиоизотопные уровнемеры, как правило, применяются в тех случаях,

когда непосредственный контакт с измеряемой средой по каким-либо причи-

нам нежелателен (например, уровень жидкого хлора, шихты в доменной печи и т.д.). Следует иметь в виду, что на показания радиоизотопных уровнемеров практически не влияет изменение плотности измеряемой среды

(для принципиальных схем, принятых в серийных приборах).

Контрольные задачи

3.0. Уровень воды в емкости измеряется гидростатическим способом. Максимальный уровень Нмакс= 400 мм. Оцените относительную погрешность измерения максимального уровня, вызванную изменением уровня воды в минусовой импульсной трубке мембранного дифманометра.

Внутренний диаметр импульсных трубок d = 10 мм. При изменении уровня от 0 до Нмакс происходит изменение объема минусовой камеры дифманометра на = 4 см3. При Н = 0 уровни воды в обеих импульсных трубках равны.

Температура окружающей среды и воды в емкости и трубках t = 20 °С.

23

3.1.Уровень воды в открытой емкости измеряется

дифманометроуровнемером. Уровнемер градуировался при температуре воды в емкости и импульсных трубках 30 °С. Изменятся ли показания уровнемера, если температура воды в емкости увеличилась до 90 °С, а

температура воды в импульсных линиях осталась 30 °С?

3.2. В цилиндрическом вертикальном стальном резервуаре-

хранилище диаметром 12 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?

3.3. Пьезометрический уровнемер измеряет уровень щелочи в выпарном аппарате. Определите давление воздуха в источнике питания и примерный часовой расход воздуха при максимальном уровне.

Максимальная плотность раствора щелочи щ = 1280 кг/м3. Диапазон изменения уровня 0-400 мм, внутренний диаметр пневмометрической трубки d = 6 мм, температура жидкости в аппарате 80 °С, абсолютное давление в аппарате 16 кПа.

3.4. Рассчитайте емкость и коэффициент преобразования измери-

тельного преобразователя емкостного уровнемера, предназначенного для измерения уровня в баках-хранилищах керосина, от нулевого до максимального значения Нмакс = 8 м.

Емкостный 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 1 = 8 м, емкость конструктивных элементов С0 = 75 пФ.

Относительная диэлектрическая проницаемость паров керосина п = 1,

керосина к = 2,1, изоляционного покрытия тросика и = 4,2.

24

3.5. Зависит ли коэффициент преобразования емкостного преоб-

разователя уровнемера от соотношения диэлектрических проницаемостей

жидкости ж и ее паров п? Жидкость неэлектропроводна. Преобразователь представляет собой металлический цилиндр диаметром D и длиной l, внутри которого коаксиально расположен металлический неизолированный трос диаметром d.

3.6. Оцените погрешность емкостного уровнемера, вызванную изменением температуры проводящей жидкости на 25 0С, 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 Сп = 240 пФ/м, диэлектрическая проницаемость жидкости ж= 18, изменение ж с изменением температуры составляет

0,2% / К, интервал изменения уровня h от 0 до 2 м, длина измерительного преобразователя 1 = 2 м.

3.7. Можно ли применить емкостный преобразователь

(задача 3.6) без переградуировки для измерения жидкости с ж = 20?

3.8. Следует ли производить переградуировку следящего радиоизотопного уровнемера, если он был отградуирован на воде, а затем возникла необходимость измерять уровень жидкого хлора?

3.9.Рассчитайте плечо l подвеса буйка уровнемера,

предназначенного для измерения уровня в сосуде под давлением в интервале

-250 +250 мм относительно номинального значения. Плотность жидкости

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.

25

4. Измерение расхода

Расход жидкостей, газов и пара является одним из важных показателей многих технологических процессов. Практически все методы измерения расхода, применяемые в промышленных и лабораторных установках,

достаточно подробно рассмотрены в [3]. Отметим некоторые особенности наиболее распространенных методов измерения расхода.

Перепад давления р, образующийся в комбинированной напорной трубке, равен динамическому напору. Скорость ν, соответствующая этому перепаду, определяется из уравнения

ν√

где - коэффициент трубки (для правильно изготовленных трубок близок к единице).

Напорные трубки измеряют скорость в конкретной точке сечения потока. Поэтому для определения расхода необходимо знать соотношение между местной скоростью и средней скоростью νс, которое определяется распределением скоростей по сечению трубопровода. При осесимметричном потоке распределение скоростей определяется числом Рейнольдса Re и

степенью шероховатости трубы. Установлено [3], что в широком диапазоне чисел Re от 4-103 до 3-106ν / νс = 1 ± 0,005 на расстоянии 0,762 R от центра

26

трубы. При ламинарном режиме это отношение имеет место на расстоянии

0,707 R от центра трубы, где R - радиус трубы.

В настоящее время наиболее распространенным в промышленности методом является измерение расхода с помощью сужающих устройств.

Правила применения и расчета сужающих устройств регламентированы [4].

Взаимосвязь между объемным Q0 или массовым QM расходом и перепадом АР на сужающем устройстве определяется уравнениями расхода:

п - поправочный множитель на притупление входной кромки диафрагмы

(для сопл п = 0).

При использовании этого метода измерения часто имеют место по-

грешности, вызванные несоответствием расчетных и действительных значений параметров в уравнениях расхода. Например, при отклонении температуры среды t от расчетной tp изменяется плотность среды, что вызывает изменение показаний расходомера. Для сухого газа новое значение плотности р определяется через плотность н при нормальных условиях по формуле

27

Тн

температур от до .

Средняя квадратическая относительная погрешность измерения расхода показывающим дифманометром определяется по формуле

√

√

Составляющие подкоренного выражения определяются по [4].

Электромагнитные расходомеры применимы для измерения расхода электропроводящих сред. Поэтому они не могут быть использованы для измерения расхода газов, нефтепродуктов, масел и других непроводящих сред. Конструкция измерительного преобразователя расходомера практически не изменяет форму и сечение трубопровода и поэтому может широко использоваться для измерения загрязненных жидкостей и пульп. Это один из немногих методов, позволяющих измерять расходы жидких металлов.

Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход без не-

посредственного контакта с измеряемой средой. Этот метод пока применяется только для измерения расхода жидкостей. Схема ультразвукового расходомера достаточно сложна. Поэтому они пока не

28

нашли широкого применения в промышленности.

Некоторое распространение получили тепловые расходомеры (кало-

риметрические, термоанемометрические), работа которых основана на зави-

симости теплообмена между нагреваемым элементом и потоком от скорости

(расхода) измеряемой среды.

Контрольные задачи

4.0. При установке диафрагмы в трубопроводе предполагалось,

что номинальный расход среды составляет 230 т/ч, диафрагма была

рассчитана на Qmax = 250 т/ч, а дифманометр — на pmax = 4 кПа. Однако в процессе эксплуатации выяснилось, что расход среды будет равен 380 т/ч.

Сменить диафрагму не представляется возможным.

Подберите дифманометр, с помощью которого можно было бы

измерить расход 380 т/ч.

4.1. Расход воды в трубопроводе диаметром D = 80 мм измеряется бронзовой диафрагмой с отверстием диаметром d = 58 мм.

Температура воды 150 0С, давление воды 2 МПа, перепад давления на

диафрагме 0,04 МПа.

Определите, как изменится действительное значение расхода, если температура воды станет 20 0С. Диаметр трубопровода, коэффициент

расхода и перепад давления на диафрагме считаем неизменными kt = 1,0023. 4.2. Через диафрагму, установленную в трубопроводе, протекает сернистый газ, расходные характеристики для которого были получены при

Определите поправочный коэффициент для пересчета показаний расходомера на нормальные условия.

29

4.3. Расход воды, протекающей по трубопроводу D = 200 мм,

составляет QM = 100 т/ч. Относительная площадь диафрагмы m = 0,5,

давление воды р = 10 мПа, температура t = 200 °С .

Определите значение перепада давления на сужающем устройстве.

4.4. По трубопроводу протекает вода при р = 100 кгс/см2 и

t = 200 °С. Предельный расход воды Qмн = 100т/ч. Диаметр трубопровода при t = 20 °С, D20 = 200 мм. В трубопроводе установлены диафрагма и сопло. Относительные площади их таковы, что при указанном расходе

перепад давления на обоих сужающих устройствах одинаков и равен 400 кгс/м2.

Имеет ли в этом случае какое-либо из указанных сужающих устройств преимущество (на трубопроводе перед сужающими устройствами

установлены колена)?

4.5. На трубопроводе D = 200 мм перед сужающим устройством

с m = 0,6 необходимо установить регулирующий вентиль.

Определите необходимую длину прямого участка, а также возможное уменьшение необходимой длины за счет уменьшения относительной

площади сужающего устройства до m = 0,45.

4.6. Рассмотрим схему измерения расхода перегретого пара.

Сосуд 1 внутренним диаметром d1 = 100 мм подключен к месту отбора давления перед соплом, такой же сосуд 2 служит для отбора давления после сужающего устройства. Сосуды подключены к мембранному дифманометру импульсными трубками внутренним диаметром d2 = 10 мм. При нулевом расходе обе импульсные трубки и сосуды заполнены конденсатом до одинакового уровня, обозначенного на рисунке линий 0-0. Предположим,

что расход увеличился от нуля до Qmax= 10 т/ч, при этом перепад давления

30

Определите погрешность показаний расходомера, вызванную разницей уровней в импульсных трубках.

4.7. Определите размеры разделительных сосудов для поплавкового дифманометра.

Диаметры поплавкового и сменного сосудов соответственно равны

Dn = 78 мм и Dсм = 13,83 мм. Измеряемая среда соляная кислота

(р = 108 кПа; t = 20 °С и рс = 1560 кг/м3). Разделительная жидкость -

трансформаторное масло (рр.с = 880,3 кг/м3). Температура разделительных сосудов и дифманометра 20 °С. Уравновешивающая жидкость - ртуть.

При температуре 20 °С плотность ртути у = 13 546 кг/м3.

4.8.Измеряемая среда - перегретый пар (избыточное

давление р = 10 МПа; t = 510 °С). Предельный массовый расход

= 250 000 кг/ч, диаметр трубопровода D20 = 217 мм, сужающее устройство - сопло, m = 0,568. Дифманометр поплавковый, ртутный,

показывающий класса 1,5 на перепад давления Арн = 160 кПа. Давление измеряется манометром со шкалой 0-16 МПа класса 1,5, погрешность измерения температуры t = ±5 °С. Плотность пара в рабочих условиях определяется по таблицам по р и tи равна = 29,35 кг/м. Перед соплом находится полностью открытый запорный вентиль на расстоянии 4,4 м, за соплом имеется колено на расстоянии 2 м. Отбор давления осуществляется с помощью кольцевых камер.

Определите предельную погрешность измерения предельного расхода.