МСиС / M_lab_PDF / LAB5

1

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ СИГНАЛИЗАТОРОВ И ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УРОВНЯ ПРОВОДЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

1. Цель работы

Изучение принципа действия и конструкции кондуктометрических преобразователей при их использовании в качестве сигнализаторов и измерителей уровня проводящих жидкостей. Приобретение практических навыков работы с промышленным сигнализатором уровня ESP-50 (производства фирмы Metronex, Польша).

2. Теоретическая справка

Принцип действия кондуктометрических (электролитических) преобразо-

вателей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации (в датчиках концентрации) или на зависимости электрического сопротивления слоя жидкости от его геометрических размеров(в датчиках уровня, перемещения, механической деформации и т.п.).

Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней солей, кислот, щелочей, т.е. электролитов, ее электропроводность возрастает, поскольку в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы, что приводит к возрастанию количества носителей зарядов, а значит и электропроводности. При малых концентрациях электролитов, когда количество ионов мало, электропроводность практически пропорциональна концентрации растворенного вещества. С увеличением концентрации в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается. При определенной концентрации проводимость достигает максимума, после чего может начать уменьшаться. Экспериментально снятые градуировочные кривые для различных растворов приводятся в справочной литературе и имеют вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

2

Кондуктометрический преобразователь представляет собой электрохимическую ячейку, т.е. два электрода, погруженные в раствор электролита, как показано на рис. 2.

Рис. 2.

Форма и конструкция электродов могут быть самыми разнообразными. При этом сопротивление между электродами преобразователяR обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита γ :

R = k / γ .

Коэффициент k называется постоянной преобразователя и зависит от формы и конструкции электродов и межэлектродного пространства. На практике он обычно не рассчитывается, а определяется экспериментально с помощью образцовых растворов, имеющих точно известную проводимость.

Изменение активной площади электродов кондуктометрического преобразователя, вследствие их взаимодействия с раствором, приводит к появлению погрешностей в измерениях. Поэтому электроды в кондуктометрических преобразователях выполняют обычно из таких материалов, которые не вступают ни в химические, ни в какие другие взаимодействия с исследуемым раствором. Чаще всего это бывает нержавеющая сталь, платина, графит и т.п. Электрическая проводимость растворов электролитов также зависит от температуры. В первом приближении эту зависимость выражают уравнением

γ = γо · (1 + β · t),

где γо - проводимость при температуре to; β - температурный коэффициент проводимости (для растворов кислот, щелочей, солей β = 0,016 - 0,024 K-1). Следовательно, при определении концентрации по проводимости будет иметь место температурная погрешность, устранить которую можно схемным путем, включив в мостовую измерительную схему компенсационный терморезистор, как показано на рис. 3, а) с последовательно включенным медным терморезистором; б) с полупроводниковым терморезистором, включенным с смежное плечо. Чаще всего используются медные терморезисторы, т.к. температурный коэффициент проводимости меди и растворов электролитов близки по значению.

Питание измерительных схем с кондуктометрическими преобразователями производится переменным током частотой от нескольких герц до нескольких килогерц. Если кондуктометрический преобразователь питать постоянным током, то

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

3

будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Кроме того, постоянный ток производит так называемую поляризацию электродов, которая заключается в изменении электродных потенциалов из-за изменения приэлектродных концентраций раствора. Падение напряжения на электродах из-за явления поляризации сильно зависит от плотности протекающего тока и различно для различных сочетаний электродэлектролит, что делает его компенсацию практически невозможной.

Рис. 3.

Кроме контактных кондуктометрических преобразователей, у которых электроды непосредственно погружены в контролируемый раствор, широкое распространение в датчиках концентрации получили бесконтактные преобразователи, у которых металлические электроды непосредственно не контактируют с электролитом, что исключает их нежелательные взаимодействия. Такие преобразователи чаще всего строятся по трансформаторной схеме с жидкостной короткозамкнутой обмоткой, как показано на рис. 4.

Рис. 4.

Изменение концентрации, а следовательно и электропроводности раствора, приводит к изменению сопротивления вторичной обмотки трансформатора, что, как известно, повлечет за собой изменение тока и во вторичной, в первичной

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

4

обмотках. Это изменение и отразится на показаниях измерительного прибора, включенного в первичную обмотку.

Принцип действия кондуктометрического сигнализатора уровня поясняется рис. 5. и состоит в замыкании проводящей жидкостью электрической цепи при изменении уровня зеркала этой жидкости относительно электрода, установленного на определенной фиксированной высоте в резервуаре.

Рис. 5.

Соприкосновение электрода и жидкости, как показано на рис. 5., приводит к уменьшению сопротивления Rc. Уменьшается управляющий сигнал Us, и срабатывает релейная схема. Для обеспечения большей надежности действия сигнализатора в широком диапазоне температуры, давления, химической агрессивности и электрической проводимости жидкости, применяются электроды соответствующей конструкции (так называемые кондуктометрические зонды или датчики), а также чувствительный высокоомный усилительно-релейный блок.

На основе схемы, изображенной на рис. 5., может быть построен не только сигнализатор, но и измеритель, уровня проводящей жидкости. Для этого необходимо погрузить измерительный электродS в жидкость так, чтобы он своим концом касался дна емкости. Затем электрод перемещают вверх, измеряя величину этого перемещения, например, с использованием каких-либо датчиков перемещения или по отметкам измерительной линейки, нанесенным непосредственно на электрод. Когда конец измерительного электрода выходит из жидкости, срабатывает электронное реле W, именно в этот момент снимается отсчет с датчика перемещения, который и будет равен уровню жидкости в емкости. Измерение уровня жидкости данным способом, очевидно, можно осуществлять лишь периодически.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

5

3.Используемые приборы и оборудование

1.Сигнализатор уровня ESP-50 (основные технические и метрологические характеристики приведены в Приложении)

2.Измеритель импеданса или омметр.

3.Лабораторная установка.

4. Описание лабораторной установки

Лабораторный стенд, изображенный на рис. 6., состоит из следующих элемен-

тов:

1.сигнализатор уровня ESP–50 с тремя измерительными зондами;

2.пульт коммутации;

3.бокс с тремя емкостями, заполненными жидкостями с различными проводимостями.

Подробное описание сигнализатора ESP–50 приведено в Приложении. Пульт коммутации предназначен для переключения диапазонов чувствительности каналов ESP–50, без его открывания. Переключение диапазонов каждого из трех каналов осуществляется с помощью галетных переключателей. Номер канала указан над переключателем, номера диапазонов указаны под галетным переключателем. Кроме переключателей диапазонов на пульте имеется галетный переключатель, отключающий измерительные электроды отESP–50, а также клеммные зажимы, предназначенные для измерения сопротивления между соответствующими электродами и общим проводом. Измерение сопротивления производится в режиме, когда электроды отключены отESP–50. Зонды могут быть зафиксированы в произвольном положении с помощью цанговых зажимов, закрепленных на верхней стенке бокса с емкостями. На электроды через каждые 5 мм нанесены отметки измерительной линейки.

1 2 3

Рис. 6.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

6

5.Последовательность выполнения работы

1.Ознакомиться с конструкцией, принципом действия и техническими характеристиками сигнализатора уровня ESP-50 согласно Приложению.

2.Отключить зонды от электронного реле, вынуть их из цанговых зажимов

ипроверить продольный и поперечный импедансы линий, соединяющих зонды с электронным реле. Эти импедансы должны удовлетворять требованиям, заданным в Приложении.

Продольный импеданс измеряется между концом зонда и соответствующим ему клеммным зажимом на пульте. Поперечный импеданс следует измерять между концами каждого из зондов и общим клеммным зажимом, а также между концами соседних зондов.

Измерения необходимо производить измерителем импеданса или косвенным методом при переменном напряжении £ 10 В. Однако приближенно вместо импедансов можно ограничиться измерениями активных сопротивлений, производимыми с помощью омметра. Результаты измерений занести в табл. 1. и 2.

3.Вставить зонды в цанговые зажимы, включить сигнализатор ESP-50 в сеть

иисследовать его работу в режиме сигнализации для всех каналов на всехвоз можных диапазонах чувствительности, имитируя поднятие уровня жидкости опусканием зонда в жидкость на глубину не более0,5 см. При этом задержка срабатывания (время реакции сигнализатора) не должна превышать 1 с. Результаты занести в табл. 3., обозначая срабатывание реле символомX, а несрабатывание -

O.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

7

4. Измерить уровни жидкостей в емкостях, установив по каждому из каналов необходимый диапазон чувствительности согласно табл. 3. Для этого конец зонда перемещать вверх от дна емкости, измеряя величину этого перемещения по отметкам линейки, нанесенным непосредственно на зонд. При срабатывании электронного реле EP-5 снять отсчет с измерительной линейки зонда, который и будет равен уровню жидкости в емкости. Результаты измерений занести в табл. 4.

5. Показать результаты выполненной работы преподавателю и выключить сигнализатор из сети.

6.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Таблицы с результатами настройки и исследования сигнализатораESP-50

(табл. 1. – 4.).

3.По результатам исследований (табл. 3.) с учетом приведенной в Приложении информации определить диапазоны, в которых находятся сопротивления погруженных зондов сигнализатора и удельные проводимости налитых в емкости жидкостей. Полученные результаты поместить в табл. 5.

4. Выводы об особенностях конструкции, принципе действия и областях применения кондуктометрического сигнализатора уровня типаESP-50, а также о полученных в ходе работы результатах.

7.Контрольные вопросы

1.Что такое кондуктометрические преобразователи? Для каких технологических измерений они применяются ?

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

8

2.Для каких измерений применяют контактные и бесконтактные кондуктометрические преобразователи ?

3.Каковы основные отличия контактных и бесконтактных кондуктометрических преобразователей ?

4.В чем заключаются особенности применения кондуктометрических преобразователей в измерителях и сигнализаторах уровня ?

5.Каковы основные технические характеристики кондуктометрического сигнализатора уровней ESP-50 ? Какие области применения у данного сигнализатора ?

6.Почему кондуктометрический сигнализатор уровняESP-50 работает на переменном токе ?

7.Для чего при настройке сигнализатора уровняESP-50 проверяется продольный и поперечный импеданс линий подключения зондов ?

8.Почему для разных диапазонов чувствительности сигнализатора установлены различные требования к продольному и поперечному импедансам линии ?

9.Возможно ли применение сигнализатораESP-50 для управления процессами заполнения или опорожнения емкостей ?

10.Возможно ли применение сигнализатораESP-50 в качестве измерителя уровня ?

8.Литература

1.Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

2.Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

3. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

/Под. ред. Е.С. Полищука. - К.: Вища шк., 1984. - 359 с.

4.Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник / Ю. Шульц. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 287 с.

5.Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. / Под ред. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1990.

6.Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин/ Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

7.Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений / С.А. Спектор. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 319 с.

8.Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин / Р. Тиль. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 191 с.

9.Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 400 с.

10.Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

11.Монтаж средств измерений и автоматизации: Справочник / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 498 с.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

9

12. Хансуваров К.И. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебн. пособие для техникумов / К.И. Хансуваров, В.Г. Цейтлин. - М.: Изд-во стандартов, 1990. – 287 с.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5

10

Приложение

СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ESP-50

1. Назначение и области применения сигнализатора ESP-50

Сигнализатор ESP–50 предназначен для сигнализации, измерения и управления уровнями жидкостей с различными электрическими проводимостями в открытых и закрытых резервуарах. Применяется на таких объектах как: резервуары питьевой воды, молока, напитков или других продовольственных товаров, отстойники стоков, резервуары конденсата, пневматические водонапорные установки, котлы, резервуары с химикатами, ирригационные резервуары и т.п.

С помощью сигнализатора ESP–50 можно производить контроль уровня рабочих тел в широком диапазоне давлений, температур и химической агрессивности. Жидкость, однако, не должна быть: со слишком высоким содержанием суспензий; со значительной кристаллизацией, выделяющей осадок; не должна обладать другими свойствами, вызывающими покрытие электрода зонда (датчика) непроводящим слоем.

Электронный узел сигнализатора(электронное реле ЕР–5) может быть использован также для сигнализации и управления любыми физическими величинами, преобразуемыми в электрический импеданс. Например, он может быть использован для сигнализации отсутствия освещения или пламени(с применением фоторезисторов), сигнализации и регулирования температуры(с применением термисторов или термометров сопротивления), сигнализации и регулирования давления или расхода (с применением контактных манометров) и т.п.

Один сигнализатор ESP–50 содержит три параллельно действующих канала, позволяющих независимо друг от друга сигнализировать соответствующие уровни жидкостей в одном, двух или трех резервуарах, что облегчает проектирование систем управления. Безопасность обслуживающего персонала обеспечивается очень низкими величинами токов и напряжений (<16 В) на датчиках.

2. Конструкция и принцип действия

В состав сигнализатора ESP–50 входят следующие устройства, показанные на рис. П5.1:

1– кондуктометрические зонды (датчики) типа SK;

2– электронное реле EP–5, являющееся триггерным усилителем, реагирующим переключением контактов выходных реле на изменения уровня.

Остальные сигнализационные узлы и исполнительные органы, соединенные

среле EP–5 и показанные на рис. П.1, проектирует и комплектует потребитель, исходя из своих индивидуальных потребностей.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 5