Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие
.pdf
81
риалов. Поплавок обычно шарообразной формы. При подаче, на-
:::::::::::::
пример, песка поплавок всплывает.
.
h
а б
Рис. 2.31. Поплавковый уровнемер сыпучих сред: а - внешний вид;
б - схема
4. Емкостной метод (аналогичен измерению уровня жидкости ёмкостными уровнемерами).
Рис. 2.32. Весовой уровнемер с динамометрическим датчиком
Сигнализаторы воспринимают давление контролируемого
вещества. Происходит замыкание электрода и, следовательно,
электрической цепи (рис. 2.32).
2.8. Измерение плотности
Плотностью называют содержание вещества в единице объ-
ёма. Плотность жидкости согласно (2.9) зависит от температуры:
r
=
r
[1-b (t - 20)].
t
20
Приборы для измерения плотности носят название плотноме-
ров. Единицами измерения плотности в системе СИ являются кг/м3.
Наибольшее распространение имеют следующие виды
плотномеров:
1) поплавковые (рис. 2.33, а);
8
2
2) весовые (рис. 2.34, а);
r
=
=
124
U
вых
653783
3) гидростатические;
4) вибрационные;
5) радиоизотопные.
Поплавковые плотномеры. Изменение плотности жидкости
(рис. 2.33, б) вызывает перемещение буйка, а также связанного с
ним сердечника 7, катушки дифференциально - трансформаторного преобразователя. Вторичный прибор показывает или регистрирует в единицах плотности.
а б
Рис. 2.33. Поплавковый плотномер: а - внешний вид ПАЖ-303; б - схема: 1 - буй; 2 - пружина; 3 - сосуд; 4 - слив; 5 - отражающая пластина;
6 - постоянный дроссель; 7 - сердечник
Весовые плотномеры. Жидкость протекает по трубке 1
(рис. 2.34, б). При увеличении плотности жидкости вес трубки
увеличивается, и она опускается, зазор между заслонкой 2 и соплом 3 уменьшается. Последнее вызывает увеличение давления в
пневмопреобразователе. Пневматический унифицированный сигнал через усилитель 4 подаётся на сильфон 6, служащий элемен-
том обратной связи. Давление воздуха в сильфоне изменяется пропорционально давлению жидкости и измеряется прибором 5. Вес
определяется по формуле
.
gVmgG
а б
5
4
сжатый
2
361
4
Сжатый
воздух
236184
Рис. 2.34. Плотномер весовой: а - внешний вид; б – схема:
1 -петлеобразная эластичная трубка; 2 - заслонка; 3 - сопло;
4 -пневматический усилитель; 5 - измерительный прибор; 6 - сильфон
Таким образом, по изменению веса вещества судят о плотности вещества определённого объёма, т. е.r=f (G).
Для весового метода характерна независимость показаний
от свойств среды (наличия твёрдых частиц т. д.).
Принцип действия гидростатических плотномеров анало-
гичен принципу действия гидростатических уровнемеров.
Давление Р в жидкости на некоторой глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости высотой Н при площади основания 1 см2:
Р=Нrg.
То есть по давлению судят о плотности. За счёт слива поддерживается постоянный уровень. Поскольку уровень Н не изме-
няется, то давление является функцией плотности: P=f(r).
Вибрационные плотномеры. Чувствительными элементами
вибрационных датчиков служат трубки (цилиндры или пластины), закреплённые в неподвижных основаниях и приводимые в
автоколебательный режим движения системой возбуждения.
Радиоизотопные плотномеры. Принцип действия радио-
изотопных плотномеров основан на зависимости степени поглощения облучения определённого вида от плотности и толщины
поглощающего слоя:
H
re
-
,
eNeNa
×=
где Na - интенсивность на выходе из слоя; Ne - мощность излуче-
m
ния; Н - толщина слоя;e - коэффициент ослабления.
2.9. Измерение вязкости
Вязкостью называют свойство жидкостей или газов, харак-
теризующее их сопротивляемость деформации сдвига.
Различают динамическуюm и кинематическую
n
=
r
ж
вязкости. Динамическая вязкость определяется по формуле
F
,
=
m
dV
S
dn
где F - сила сдвига; V - скорость течения слоя; n - расстояние ме-
жду параллельными слоями; S - площадь внутреннего трения.
За единицу динамической вязкости в международной системе единиц принимают вязкость жидкости, в которой напряжение
сдвига, создаваемое силой в 1 Н между слоями площадью 1 м2 вызывает градиент скорости 1 м/с при расстоянии между слоями 1 м.
Единицей динамической вязкости в СИ является [Па с], в СГС [пуаз]. Кинематическая вязкость измеряется в [м2/с].
Приборы для измерения вязкости называют вискозиметрами. Они основаны на следующих методах:
1) истечения (рис. 2.35, а);
2) падающего шарика (рис. 2.37, а);
3) ротационные;
4) вибрационные.
Вискозиметры истечения (капиллярные). Одними из наибо-
лее распространённых являются вискозиметры, основанные на
принципе истечения. Погрешность таких вискозиметров определяется в основном точностью поддержания постоянства расхода
контролируемой среды и температуры.
Для ламинарного установившегося течения ньютоновской
жидкости через капиллярную трубку, как указал Пуазейль, справедливо:
4
Pd
Dp
Q
, (2.16)
l
m
×=128
85
где Q - объёмный расход жидкости через капилляр;m- динамическая
Jr
m
=
J
r
P
D
r
P
D
×
=
m
вязкость, равная
сти,
пилляра,
- плотность жидкости; d - диаметр капилляра, l - длина ка-
ж
- разность давлений между концами капилляра.
)(
,
ж
- кинематическая вязкость жидко-
ж
При постоянных значениях Q, d ,l,
кость прямо пропорциональна
:
PK
1
динамическая вяз-
ж
,
где K1 - постоянная.
Контролируемая жидкость с постоянным расходом прокачивается дозирующим насосом 3 через капиллярную трубку 1
(рис. 2.35, б). Перепад давления на трубке измеряют дифманометром 2, шкала которого отградуирована в единицах вязкости.
а б
Рис. 2.35. Капиллярный вискозиметр: а - внешний вид вискозиметра АКВ 2ЖВ; б - принципиальная схема: 1 - капиллярная трубка; 2 дифманометр; 3 - насос; 4 - термостат
Диаметр и длину капиллярной трубки выбирают в зависимо-
сти от пределов измерения. Вискозиметр установлен в термостате 4.
Рассмотрим возможность определения вязкости жидкости
путем измерения времени снижения уровня на известную величину.
На рис. 2.36 приведена схема микровискозиметра для экспресс-анализа вязкости гомогенных жидкостей [6].
В нем контролируемая жидкость с расходом Q проходит
через капиллярную трубку. Для вискозиметра, изображённого на
рисунке, уравнение баланса массы имеет вид:
86
SQdt
dH
(
)
--=
r
r
»
(
)
ж 12
ρ g H -H
r
-=D
()(
)
r
r
D
=
-
-
-
×
=
(
)
J
r
×
r
r
, (2.17)
-=
где S - поперечное сечение ёмкости.
P
O
S
о
d
Q
l
P
3
3
Н
2
Н
P
1
P
2
1
Н
Рис. 2.36. Принципиальная схема капиллярного микровискозиметра
Давление на поверхность жидкости на уровне H1 выразим
через P3 и H3:
HHgPP
,
Г
где
P
3
- плотность газа (воздуха); g - ускорение силы тяжести;
Г
Pa3 - давление на нижнем конце капилляра (приближённо
3131
равно атмосферному).
Давление на верхнем конце капилляра равно:
где
- плотность контролируемой жидкости.
Ж
Обозначив H=H1 - H2 и
P=P+
21
,
PPP
(2.18)
32
можно согласно (2.18) выразить перепад давления на капилляре:
HHgHHgP
Гж
( )( )( )
3121
HHgHHg
3221
.
rrr
×---×-=
ГГж
(2.19)
Тогда согласно (2.16) и (2.17) с учётом (2.19) получим:
dt
где lº(H2- H3), S, H3, H2,
-=
128
4
( )
[ ]
и
- постоянные величины.
Гж
dHlS
ж
--×
,
lHgd
rrrp
ГГж
Сократив числитель и знаменатель правой части этого
уравнения, получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными:
87
×××
dt
J
J
×××
(
)
(
)
=
r
r
J
=-
4
( )
128
/1
dHSl
ж
æ
ç
Hgd
rrrp
ç
è
ГжГ
l
×-×-
( )
-
rr
Гж
. (2.20)
ö
÷
÷
ø
Решением уравнения (2.20) является, как известно, выражение
CKHKt +-=-
21
ж
;
º
K
rrp
жГ
2
Hl
3
( )
1
-
rr
Гж
;
H-º ;
HH
21
H
3
где
ln , (2.21)
K
128
=
1
Sl
4
( )
gd
-
1
C - постоянная интегрирования.
Поскольку для момента времени t=t1 имеет место H=H
(1)
то согласно (2.21) имеем:
,
2111
.
2212
а при t=t2 имеет место H=H
-
(2)
ln KHKCt -+=-
()
:
ln KHKCt -+=
()
Исключая постоянную интегрирования, получим
KH
-
()
D
rr
или -
Kt
D
1
)1(
×=
ln
( )
rr
)2(
Используя обозначение
D
×=
o
( )
)2(
)1(
ln
Kt
В первом приближении (полагая
ln
Kttt
×=-=
112
lH
--
1/
Гж
Гж
.
lH
--
1/
128 pJ×××= , имеем
)(
rrr
rrr
21
KH
-
22
)(
4
жo
lH
×--
ГГж
×--
ГГж
r
×
lH
gd/SlK
ж
(2.22)
.
)(
rr
-
Гж
0) отсюда сле-
жГ
дует формула, рекомендованная в [6]:
H
)(
1
Kt
D
ln×=
o
. (2.23)
H
)(
2
Таким образом, используя (2.22) вместо (2.23) и измеряя
время tD снижения уровня жидкости с H
(t1)
до H
, можно найти
(t2)
коэффициент Ko, а следовательно, и вязкость контролируемой
жидкости
, соответствующую внешним условиям (темпера-
ж
,
88
туре и давлению) и составу жидкости. Зная вязкость и время
J
D
D
dl
dt
dl
t
m
×
=
опускания уровня какой-либо жидкости с Н1 до H2 (например,
воды -
воды
и
t
) и время опускания иной жидкости (
воды
t
),
..иж
можно определить вязкость последней:
t
JD
×
водыиж
J
=
иж
..
..
t
D
воды
.
Погрешность этого метода будет тем меньше, чем меньше
отклонения от ноля значений
отношение
4dS
), так как использованная формула (2.16) со-
2
( )
p
2
Pd и
ответствует только постоянным Q и
2
2
Hd (т. е. чем больше
2
dP
.
Погрешность капиллярных вискозиметров обычно - ±2 %.
Пределы измерения 0,001 – 10,0 Па с.
Вискозиметры с падающим шариком. При работе насоса 2
в мерную трубку 4, выполненную из немагнитного материала,
поступает свежая проба жидкости из резервуара 3 (рис. 2.37, б).
Вследствие этого шарик 1 поднимается от нижней ограничительной сетки 5 до верхней 6 . При выключенном насосе 2 шарик падает в испытуемой жидкости. Время падения шарика между двумя фиксированными положениями пропорционально вязкости
жидкости:
,
k
где k - постоянная прибора,t- время.
а б
Рис. 2.37. Вискозиметр с падающим шариком: а - внешний вид; б – схема:
1 - шарик; 2 - насос; 3 - резервуар; 4 - трубка; 5, 6 - ограничительные сетки
89
Измерение по этому методу основано на законе Стокса,
t
¸
связывающем падение шарика в жидкости с её вязкостью:
2
rr
)(
-
где r - радиус шарика;r,
kgr
m
=
r
- плотность материала шарика и жид-
0
0
, (2.24)
u
кости соответственно;u - скорость равномерного движения шарика; k - коэффициент, зависящий от единиц измерения входящих
в уравнение величин; g - ускорение свободного падения.
Поскольку динамическая вязкость является функцией скорости, а скорость есть отношение перемещения в единицу времени, следовательно, вязкостьm является функцией времени:
S
ff ===
um
.
)()()( tf
Недостатки вискозиметров с падающим шариком следующие: они чувствительны к загрязнению жидкости и наличию пузырьков газа в них. Пределы их измерения: до 100 Па×с.
Принцип действия ротационных вискозиметров основан на
измерении вязкости по величине момента сопротивления, создаваемого жидкостью при вращении в ней твёрдого тела.
Это устройство представляет собой два цилиндра, вставленных один в другой. Один из них приводится во вращение. Находящаяся между цилиндрами жидкость тоже приходит во вращение, которое передаётся второму цилиндру. Чтобы второй цилиндр остановить, к нему надо приложить момент равный по величине и противоположный по направлению моменту, создаваемому жидкостью, а, следовательно, пропорциональному вязкости:
М = kmw,
где k - постоянная прибора, определяемая экспериментально;w угловая скорость вращения тела.
О величине вязкости судят либо по изменению угловой скоростиw, либо по величине тока при постоянной угловой скорости.
Пределы измерения ротационных вискозиметров 10
-3
1012 Па×с.
Вибрационные вискозиметры. Принцип действия этих вис-
козиметров основан на изменении частоты свободных колебаний
металлической пластины, помещённой в измеряемую среду.
90
Тормозящее усилие F, действующее на тело, совершающее
-=M
гармонические колебания в измеряемой среде, связано с вязкостью соотношением:
F=k
rm
,
где k - постоянная, зависящая от частоты колебаний, размеров и
формы тела;r - плотность среды.
Вибрационные вискозиметры бывают двух видов:
1) низкочастотные (с частотой до 1кГц);
2) ультразвуковые (с частотой 10 - 1000 кГц).
2.10. Измерение влажности
Различают абсолютную (кг/м3) и относительную (%) влажность. Для измерения влажности газов используется метод точки
росы и психрометрический метод.
Относительная влажность - отношение абсолютной влажности к максимально возможной при тех же условиях (температуре, давлении), выраженная в процентах.
Влажность твёрдых тел определяют весовыми влагомерами,
принцип действия которых основан на прямом взвешивании пробы продукта до и после выпаривания:
W
MM
,
1000×
где W - содержание влаги, %; М - масса влажного продукта, кг;
М
- масса абсолютно сухого продукта, кг.
0
Прямой метод для измерения влажности твёрдых тел используется в лабораторных условиях. Для автоматического измерения влажности используются косвенные методы, позволяющие
определить влажность путём измерения функционально связанной с ней физической величины. Наибольшее распространение
получили: кондуктометрический метод, метод диэлектрической
проницаемости, высокочастотные методы.
Психрометрический метод
О влажности судят по интенсивности (скорости) испарения
влаги в зависимости от влажности окружающей среды (психрометрический эффект). При испарении с увлажнённой поверхно-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]