Рисунок 5.7. Силы, действующие на первичный преобразователь кориолисова расходомера: — силы воздействия;— перемещение;— угол закручивания

Кориолисовы массовые расходомеры непосредственно измеряют массовый расход жидкостей, газов и взвесей без предварительного определения плотности и объема. Схема первичного преобразователя изображена на рисунок 5.7. Труба, имеющая U-образную форму, после приведения ее с помощью электромагнитной катушки в колебательное движение, колеблется с собственной частотой (амплитуда менее 1 мм, частота — десятки герц). При движении трубы вверх газ, втекающий в трубу, давит на трубу вниз. На выходе из нее тот же газ дополнительно способствует движению трубы вверх, что приводит к закручиванию U- образной трубы. Во время второго периода колебаний, когда U-образная труба движется вниз, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называют эффектом Кориолиса. При этом, угол закручивания трубы прямо пропорционален расходу газа. Электромагнитные датчики, расположенные с каждой стороны трубы, измеряют скорость колебания трубы. Массовый расход газа определяют, измеряя разницу во времени поступления двух сигналов по скорости, эта разница прямо пропорциональна массовому расходу газа. Трубу первичного преобразователя располагают изгибом вверх, чтобы предотвратить накопление конденсата в ней. Выпускаются и другие преобразователи, действие которых основано на эффекте Кориолиса, представляющие собой отрезок прямой трубы, закрепленный с обоих концов и вибрирующей с максимальным прогибом в своей средней части.

Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц не влияет на условия применения кориолисова расходомера. Широкий диапазон измерения, малые потери давления. Высокая точность. Этот принцип измерения позволяет получить информацию не только об объемном, но и о массовом расходе и плотности среды, проходящей через измерительный преобразователь. Кориолисовы расходомеры относят к «интеллектуальным» изделиям, так как они могут иметь встроенные микроконтроллеры для вычисления комплекса показателей.

6. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И СЫПУЧИХ ТЕЛ

Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел относится к числу вспомогательных контрольных операций, позволяющих определить количества жидкостей и сыпучих тел в резервуарах для учета продукта и

38

сигнализации о переполнении расходных баков и бункеров. Поддержание некоторого постоянного уровня, например, жидкости в аппаратах, резервуарах, баках связано как с поддержанием технологического режима, так и с условиями безопасной работы оборудования. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости,

называются сигнализаторами уровня.

В химической промышленности применяют: измерение уровня жидкости указательными стеклами; уровнемеры механические (с помощью поплавка или буйка); электромеханические (например, уровнемеры с индуктивными датчиками); гидростатические; пневматические. Измерение уровня по измерению проводимости, емкостные, фотоэлектрические, ультразвуковые, акустические, радиоизотопные.

При выборе уровнемера необходимо учитывать температуру, абразивные свойства, вязкость, электрическую проводимость, радиоактивность, химическую агрессивность измеряемой среды. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в объекте измерения или около него: давление, нагревание или охлаждение, способ заполнения или опорожнения резервуара, наличие мешалки, огнеопасность и взрывоопасность. Основными требованиями, предъявляемыми к уровнемерам, являются: высокая степень надежности при эксплуатации в химически агрессивной среде для широкого температурного интервала (от —40 °С до +80 °С); малая погрешность измерений (порядка ±1 мм при изменении уровня жидкости до 20 м); простота установки и технического обслуживания; пожаро- и взрывобезопасность; возможность интеграции в САУ.

6.1. Механические уровнемеры Поплавковые уровнемеры применяются в основном для

непрерывного измерения уровня жидкости, когда изменение положения поплавка, выступающего в роли чувствительного элемента и помещенного в жидкость, вызывает изменение какого-либо параметра преобразующего элемента. Принцип действия поплавкового уровнемера основан на следящем действии поплавка, находящегося на поверхности жидкости и перемещающегося вместе с уровнем жидкости. В большинстве случаев перемещение поплавка, вызванное изменением уровня жидкости, передается на плунжер соленоидного дифференциально-трансформаторного (индуктивного) датчика (рисунок

39

6.1). Уровнемеры с индуктивными датчиками применяются для измерения уровня жидкости в резервуарах высокого давления.

Рисунок 6.1. Схема уровнемера с дифференциальнотрансформаторным датчиком

В буйковых уровнемерах чувствительным элементом является металлический цилиндрический буек, частично погруженный в измеряемую среду. На буек действуют сила его веса и выталкивающая сила. При изменении уровня жидкости меняется выталкивающая сила и положение буйка. За счет разности глубины погружения буйка меняется выталкивающая сила, действующая на буек, и он перемещается либо вверх (при повышении уровня) или вниз (при понижении уровня). Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, применяются буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0...5 мА; 0...20 мА типа «УБ-Э» или пневматические с давлением 0,02...0,1 МПа (0,2...1,0 кгс/см2) типа «УБ- П». Действие данных уровнемеров основано на электросиловой компенсации усилия, развиваемого буйком измерительного блока уровнемера, погруженным в жидкость, уровень которой измеряется.

6.2. Гидростатические и пьезометрические уровнемеры

Оба уровнемера пригодны для измерения уровня разных жидкостей. При выборе материала трубки, используемой для измерения давления, необходимо учитывать химические свойства жидкостей. Гидростатический и пьезометрический методы индикации уровня отличаются друг от друга тем, что при гидростатическом методе используется непосредственно давление, оказываемое жидкостью на дно

40

резервуара, тогда как при пьезометрическом методе в резервуар принудительно подают воздух или газ.

Гидростатические уровнемеры. Измерение уровня основано на измерении оказываемого жидкостью на дно резервуара гидростатического давления, которое измеряется в открытых резервуарах при помощи обычного или дифференциального манометра. В резервуарах, находящихся под давлением и, следовательно, представляющих собой замкнутую емкость, уровень жидкости можно измерить только дифференциальным манометром (рисунок 6.2). Величина гидростатического давления на дно резервуара зависит от высоты h столба жидкости над измерительным прибором и от плотности р жидкости. Таким образом, справедливо уравнение:

или

Если манометр установить не на одинаковой с днищем резервуара высоте, то произойдет смещение точки начала измерения, пропорциональное разности высот. При использовании дифференциальных манометров место установки измерительного прибора не влияет на правильность индикации, если оно находится ниже уровня днища резервуара, а измерение давления осуществляется относительно давления постоянного уровня жидкости.

Рисунок 6.2. Схема гидростатического уровнемера

41

Рисунок 6.3. Схема пьезометрического уровнемера

Пьезометрические уровнемеры. Высоту уровня жидкости измеряют по давлению воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости. На рисунок 6.3 показана схема подобного устройства для открытых резервуаров. В жидкость, уровень которой предстоит измерить, погружают трубку и в нее через дроссель непрерывно нагнетается сжатый воздух или газ, например, азот. Пневматическое давление, устанавливающееся в погружной трубке за дросселем, соответствует гидростатическому давлению над концом трубки и является тем самым мерой уровня заполнения резервуара. Материал погружной трубки выбирается в соответствии с химическими и физическими свойствами измеряемой жидкости.

Преимущество гидростатического способа измерения уровня заключается в том, что он обладают высокой эксплуатационной надежностью. Гидростатический метод можно использовать, в частности, для измерения уровня в резервуарах высокого давления. Преимущество пьезометрического метода состоит в том, что измерительное устройство не находится в контакте с измеряемым веществом, поэтому его очень удобно применять, измеряя уровень агрессивных, сильно загрязненных, вязких и склонных к кристаллизации жидкостей, включая пульпы, в открытых резервуарах. Указанные методы применяют в промышленности для измерения уровня жидкости также в перегонных кубах и реакторах.

6.3. Кондуктометрические уровнемеры Кондуктометрические уровнемеры применяются для измерения

уровня электропроводящих жидкостей в резервуарах, цистернах. Принцип измерения основан на изменении силы тока от изменения контролируемого уровня жидкости в резервуаре. В пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико. Если опустить электроды в электропроводящую жидкость в резервуаре, уровень которой измеряется, то изменение проводимости отражает ее уровень.

42

6.4. Емкостные уровнемеры

Рисунок 6.4. Схема емкостного уровнемера:

1 — трубчатый (наружный) электрод; 2 — внутренний электрод; 3 — преобразователь емкостив токовый сигнал

Их действие основано на измерении электрической емкости преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально (рисунок 6.4). Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов емкостного преобразователя и воздухом (или парами жидкости). Измерение емкости осуществляют уравновешенными мостами переменного тока. Емкостный метод применяют для измерения уровня песка, цемента, извести, угольной пыли в бункерах и хранилищах, а также мазута, топлива, воды, кислот, щелочей и вязких материалов.

6.5. Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвук можно использовать для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Способ непригоден лишь для измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, которые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым привести к погрешностям измерения. Такие химические и физические свойства

43

жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, играют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измерения уровня позволяет осуществлять сигнализацию уровня сыпучих материалов, а также легких хлопьевидных и содержащих воздух материалов, например, целлюлозы, мелкозернистых или порошкообразных синтетических материалов. Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо наличие излучателя и приемника. Излучатель посылает ультразвуковые импульсы, представляющие собой механические колебания в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колебания, поведение которых напоминает поведение световых лучей. Время прохождения или поглощения луча ультразвука может служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распространения ультразвука минимальна.

Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей уровня (рис. 6.5). В первом режиме при измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука.

Рисунок 6.5. Схемы ультразвуковых уровнемеров, в которых осуществляется первый (а), второй (б) и третий (в) режимы работы: 1 — излучатель; 2 — приемник.

В первом режиме ультразвуковой излучатель и приемник (детектор) монтируются внутри резервуара и располагаются строго друг против друга так, что между ними образуется прямой путь прохождения ультразвуковой волны в газе (рисунок 6.5, а). При заполнении пространства между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом ультразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материалом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых преобразователей используется только для определения дискретных уровней жидкости, т. е. для сигнализации

44

предельных величин. Для измерения уровня жидкостей удобен второй режим работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измерении времени прохождения сигнала с использованием принципа эхолота (рис. 6.5, б). Электрический импульс пьезоэлектрическим вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который излучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкостьвоздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибратор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, посланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на вход усилителя. Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное напряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8 (например, автоматического потенциометра). Третий режим работы ультразвуковых преобразователей показан на рис. 6.5,в. Внутри резервуара размещают эмиттер, излучающий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жидкости. В этом случае ультразвуковые колебания оказываются в резонансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости. Уровень жидкости определяется измерением частоты новых колебаний, поскольку при разном уровне жидкости резонансная частота оказывается различной.

Применение ультразвуковых уровнемеров: для измерения уровня только однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением. Применения этого метода распространяется также и на измерение уровня жидкости в емкостях из дерева и пластика, где сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не всегда пригоден.

Преимущество измерения уровня с использованием ультразвука заключается в том, что этот метод удобен для измерения уровня заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по конструктивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим способом измерения. Метод требует больших затрат, т.к., кроме пьезоэлектрических вибраторов, необходимы частотные генераторы. Разработан датчик-сигнализатор уровня в металлических резервуарах, работа которого основана на ультразвуковой технологии. Он сигнализирует о значениях уровня в металлическом резервуаре не нарушая его целостности, что особенно важно, когда в резервуаре содержится агрессивная или летучая среда (щелочь, легкие углеводороды и т. д.) при высоком давлении или температуре.

45