3.2.2. П’єзометричні рівнеміри та густиноміри.

Різновидом гідростатичних приладів є п’єзометричні рівнеміри та густиноміри, принцип дії грунтується теж на функціональній залежності (1), але між тиском Р в п’єзометричній трубці, яка занурена у контрольовану рідину на постійну глибину і через яку продувається (барботується) стиснене повітря або інертний газ, від рівня чи густини цієї рідини. Застосовуються прямі (рис.4,б) та диференціальні схеми (рис.4,а) вимірювань. Останні схеми завдяки більшій чутливості і точності вимірювань поширені більше.

У п’єзометричному рівнемірі або густиномірі (рис. 4,б) стиснене повітря

крізь дросель (регулятор тиску) 1 та пристій (стакан) візуального контролю 2, що слугує для візуального контролю якості проходження стиснутого повітря через стовп рідини, подається у відкриту з одного кінця п’єзометричну трубку 3, занурену у рідину майже до дна резервуару 5. Тиск повітря в п’єзометричній трубці зумовлюється протитиском стовпчика рідини і дорівнює йому. Тому тиск Р повітря, що вимірюється манометром 4, характеризує рівень рідини в резервуарі при незмінній густині, або густину рідини при постійному її рівні.

Для п’єзометричного рівнеміра, чим менше висота стовпа рідини (при

постійній її густині), тобто, чим менший гідростатичний тиск у нижнього кінця

п’єзометричної трубки, тим вільніше та швидше проходить витікання повітря із вимірювальної камери і, відповідно, знижується в ній тиск, який вимірюється манометром 4. Відповідно, для п’єзометричного густиноміра теж, чим менша густина рідини (при постійній висоті стовпа рідини), тим швидше проходить витікання повітря із вимірювальної камери і, відповідно, знижується в ній тиск.

П’єзометричні рівнеміри відносяться до пневматичних приладів і в якості джерела енергії використовується стиснене повітря (Р_жив 140 кПа), яке подається у п’єзометричну трубку, як правило, від компресора через фільтр, що забезпечує очищення повітря. Величина тиску повітря, яке безперервно продувається через п’єзометричну трубку, встановлюється дроселем

(регулятором) 1 і контролюється манометром 4.

Регулятор 1 призначений: по-перше, для створення самої камери, під якою у пневматиці розуміють простір між отвором (соплом) регулятора 1, через

яке нагнітається повітря (його ще називають вхідним або основним отвором) та вихідним отвором п’єзометричної трубки, через який проходить витікання повітря; по-друге, для регулювання та підтримування стабільності подачі тиску повітря, що надходить у вимірювальну камеру. В п’єзометричних системах для продування через п’єзометричну трубку дозованої витрати повітря, найбільш часто використовують регулятори витрати повітря типу РРВ-1. Принцип дії цього регулятора грунтується на автоматичному підтримуванні постійного перепаду тиску на дроселі 1, в результаті чого

забезпечується постійна витрата повітря через цей дросель.

У випадку, коли вимірюваний рівень рідини в резервуарі знаходиться під надлишковим тиском, то тиск повітря живлення Р_жив на виході регулятора 1,

що подає повітря у п’єзометричну трубку, повинен бути:

Р_жив Р_над + Н_максּρ₁ּg, (7)

где Р_над – надлишковий тиск, кПа; Н_максּρ₁ּg – максимальний гідростатч-ний тиск стовпа рідини, кПа.

Необхідною умовою надійної роботи п’єзометричних рівнемірів є два мо-

менти: 1) встановлення такого тиску газу в у вимірювальній пневматичній камері, при якому бульбашки газу, що проходять через рідину, проходили би з розривом на всьому діапазоні вимірювань рівня; 2) п’єзотрубка не повинна доходити до дна резервуара на 80мм.

Витрати повітря встановлюються мінімально можливими для максимально можливого рівня рідини, з тим щоб перепад тиску на п’єзотрубці був якомога меншим, так як це визначає похибку вимірювання п’єзометричним методом.

Як правило, витрати повітря таких приладів складають 0,1 – 0,2 м³/год.

Подібні прилади використовуватися для вимірювання рівня агресивних та забруднених рідин, а також рідин, що швидко кристалізуються. Прилади забезпечують точність вимірювання в межах 1,5 – 2,5 % від діапазону вимірювання. Наприклад, підприємство «Акустотехніка» (м. Львів) впровадило у виробництво цифровий п’єзометричний густиномір-концентратомір пивного сусла типу СЦ-1 з уніфікованим вихідним сигналом по струму за схемою рис.4,б, який додатково вміщує дифманометр, температурний компенсатор та мікропроцесорний контролер. Клас точності приладу 0, 1 та 0,25 в діапазоні

вимірювань 0÷20 та 40÷65 % вмісту сухих речовин в суслі відповідно.

На рис.4,а приведена схема густиноміра, який використовується найчастіше і в якому реалізується диференціальний метод вимірювання. Газ через редуктори і стакани візуального спостереження (на рис. 4.а не показані, але виконані по аналогії 1 та 2 рис. 4,б) подається у вимірювальну 2 та компенсувальну 5 трубки. Трубка 2 встановлена у вимірювальній посудині 1. Трубка 5 встановлена у компенсувальну герметичну посудину 6 з рідиною відомої густини ρ₀. Із компенсувальної посудини газ поступає у допоміжну трубку 3, занурену в контрольовану рідину на висоту h₂. При цьому

використовуються три типи густиномірів, що реалізують метод.

а) б) Рис.4. Схеми п’єзометричних: а) диференціального густиноміра та б) рівнеміра

В першому типі (однорідинному) вимірюють різницю тисків у двох стовпах

h₁ та h₂ досліджуємої рідини різної висоти тільки в посудині 1 (в цьому випадку еталонна рідина відсутня в посудині 6 на рис.4,а і трубку 3 можна розглядати як продовження трубки 5). Використовуючи формулу (6) можемо записати для тисків Р₁ та Р₂ в обох трубках, що вимірюються дифманометром 4:

Р₁ - Р₂ = ּgּh₁ - ּgּh₂ = ּg (h₁ - h₂) = ּgּh. (8)

Так як різниця h є незмінною - це дозволяє компенсувати вплив на точність вимірювання густини досліджуємої рідини коливання її рівня.

В другому типі (двохрідинному, який безпосередньо показаний на рис. 4,а) посудина 6 заповнена еталонною (порівняльною) рідиною з відомою густиною ρ_0. Інертний газ (повітря) проходить по трубці 2 та крізь товщу досліджуємої рідини постійної висоти h₁ і виходить із ЗВ. Той же газ проходить по трубці 5 крізь товщу еталонної рідини постійної висоти h₀, а потім по додатковій трубці 3 через незначну товщу досліджуємої рідини постійної висоти h₂ і теж виходить із ЗВ. При відомих глибинах занурення п’єзометричних трубок та відомій густині еталонної рідини показання дифманометра 4 будуть мірою густини досліджуємої рідини. По аналогії із залежністю (8) отримуємуємо:

∆Р = Р₁ - Р₂ = g [ּh₁ - (ּh₂ + h₀ּρ₀)] = (ּh - h₀ּρ₀) g. (9)

Глибину h₀ занурення компенсувальної трубки 5 вибирають рівною:

h₀ = h₁ - h₂ = h або h₁ = h₀ + h₂. (10)

Еталонну рідину підбирають з густиною , що рівна мінімальній густині дос-

ліджуємої рідини. При виконанні такої умови та умови (9), різниця тисків ∆Р= 0 при мінімальній густині. Різниця тисків ∆Р, що вимірюється дифмано-метром 4, відповідає залежності (11) і досягає максимального значення при максимально можливій густині. ∆Р = h₀ ּgּ( ρ - ρ₀). (11)

У третьому типі густиномірів компенсувальну посудину 6 (рис.4,а) розміщують у вимірювальній посудині 1, чим досягається розігрівання еталонної рідини до температури досліджуємої рідини, чим компенсується зміна густини останньої по залежності (11).

В залежності від типу дифманометра, тобто, виду перетворення

інформаційного сигналу, застосовуються ті чи інші вторинні прилади.