3.3 Выбор и расчет датчика уровня жидкости

Для имеющейся схемы автоматического несвязанного регулирования ректификационной колонны, на основе классификационного анализа, выберем в качестве датчика уровня жидкости – поплавковый уровнемер ПК-16. Выбираем этот уровнемер исходя из того, что он прост в использовании, является более точным в измерениях.

Технические данные:

Диапазон настройки уровня срабатывания в мм 0 — 365

Статическое давление в кг/см* 16

Чувствительность в мм ±5

Разрывная мощность контактов при напряжении переменного тока 220 в и омической нагрузке в В 220

Допустимая температура измеряемой среды в °С 200

Вес в кг 135

Реле выпускается в виде двух модификаций: ПК-16-СУ- 4 — только для работы во взрывобезопасных помещениях; ПШ-64-СУВЗГ- 4 — для помещений, отнесен­ных ко 2-й и 3-й категориям и группам А, Б, Г по воспламеняемости.

Действие датчика (рисунок 3.13) основано на использовании поплавка постоянного погружения. Изменение уровня жидкости в резервуаре вызывает перемещение поплавка 1, который посредством системы рычагов 2 связан с контактным устрой­ством 3, состоящим из четырех ртутных выключателей IV, два из которых работают на замыкание, а два других — на размыкание. Установка пределов срабатывания осуществляется регулировкой положения переключателей.

Рисунок 3.13 – Принципиальная схема датчика уровня ПК-16

Методика расчета поплавкового уровнемера включает следующие этапы:

1) Расчёт подъемной силы поплавка (рисунок 3.14) в общем случае, по закону Архимеда, равна:

(3.3)

где - объём поплавка;

- площадь сечения поплавка;

- удельный вес жидкости, в которую погружена нижняя часть поплав-

ка;

- удельный вес среды над поверхностью жидкости.

2) Для поплавка постоянного сечения

(3.4)

где - высота поплавка

Рисунок 3.14 – Поплавок в зоне раздела двух сред

3) Соотношения (3.3) и (3.4) пригодны для расчета датчиков уровня поверхности, раздела двух не­смешивающихся жидкостей. Для открытой поверхности жидкости можно пре­небречь удельным весом газа , при этом

(3.5)

4) Для поплавка постоянного сечения

(3.6)

Возможны два принципа построения поплавковых датчиков (рисунок 3.15, а и б). В первой схеме (рисунок 3.15, а) противодействующая сила создается весом поплавка F = G = const, соответственно уровень погружения поплавка постоянен и последний повторяет изменения уровня Н. Выходным преобразо­вателем служит датчик перемещения любой системы.

5) Во второй схеме (рисунок 3.15, б) противодействующее усилие создается пру­жиной и изменяется при перемещении поплавка

(3.7)

где - перемещение поплавка;

- жесткость упругого элемента.

6) Перемещение поплавка определяется из выражения

(3.8)

и может быть сделано значительно меньше изменения уровня х. При использо­вании в качестве выходного преобразователя датчика усилия (магнитоупругого, компенсационного) х_п ≈ 0.

Рисунок 3.15 – Схемы поплавковых датчиков уровня:

а – с поплавком постоянного погружения; б и в – с поплавком переменного

погружения.

7) Для цилиндрического поплавка

(3.9)

8) Для сосудов, сечение которых меняется по любому закону S_c = f(х), может быть подобрана форма поплавка, обеспечивающая линейную связь между весом жидкости и величиной х_п. Для этого, очевидно, требуется, чтобы сечение поплавка было линейно связано с сечением сосуда S = mf(х) и вес поплавка G был ском­пенсирован внешней силой. Из формулы (3.8) имеем

(3.10)

где G_ж — вес жидкости, налитой до уровня х.

Пример использования этого принципа для сосуда шаровой формы приведен на рисунке 3.15, в.

Поплавки изготовляются металлическими и стеклянными, пустотелыми или из пробки, пористого стекла, пластмассы и других легких материалов. Для изме­рения уровня раздела между двумя жидкостями требуется выполнение условия

(3.11)

где — объемный вес поплавка;

и — удельные веса жидкостей.

Передача перемещения поплавка исполнительному органу через стенку со­суда, при необходимости герметизации, может осуществляться различными ме­тодами, представленными на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 – Способы передачи перемещения поплавка через стенку со-

суда:

а – с помощью сильфона; б – с помощью мембраны; в – с помощью тор-

сионной трубки; г и д – с помощью магнитного поля.

Уравнения механики жидкостей. Локальные уравнения однофазного течения. Эти уравнения выводятся в координатах xt.

9) Уравнение неразрывности, или уравнение сохранения массы (в отсутствие источников), запи­сывается следующим образом:

(3.12)

где t — время;

р — плотность;

U_i — компоненты вектора ско­рости.

10) Уравнение сохранения количества движения жидкости, на­ходящейся в поле ньютоновской силы тяготения, имеет вид:

(3.13)

где р — давление;

g — ускорение силы тяжести.

11) Уравнение сохранения энергии, которое записывается для случая, когда происходит выделение теплоты из-за вязкой диссипации можно пренебречь, записывается в виде

(3.14)

где j — температура;

с_р — удельная теплоемкость при посто­янном давлении;

К — коэффициент теплопроводности.

3.4 Модернизация датчика расхода жидкости

В данном случае модернизация может заключаться либо в замене поплавкового уровнемера на более совершенный его вид, либо подбор датчика, характеристики и свойства которого значительно выше данного. В нашем случае более лучшим является поплавковый уровнемер - цифровой УПЦ со сменным регистратором (рисунок 3.17). Этот датчик является более точным в измерениях, более дорогим, автоматическим, он потребляет меньше мощности, его достоинство в том, что он цифровой: полученная от уровнемера УПЦ информация выводится в стандартном интерфейсе RS - 232 на компьютер или другое внешнее устройство. Следовательно, данный датчик является лучшим в измерениях.

Рассмотрим принцип действия данного датчика. Уровнемер предназначен для измерения уровня воды в реках, озёрах, водохранилищах, прибрежных участках морей и гидрогеологических скважинах и других местах в автоматическом режиме. Он обеспечивает: измерение и индикацию уровня воды; передачу в сменный регистратор-накопитель информации об уровне; передачу информации на внешние устройства через последовательный коммуникационный порт в стандарте RS-232.

Рисунок 3.17 – Уровнемер цифровой УПЦ со сменным регистратором