Балтийская Государственная Академия рыбопромыслового флота

Судомеханический факультет

Кафедра ХТЭАС

Лабораторная работа №3 По предмету «Приборы и техника измерений, математическое моделирование холодильных, криогенных систем и скв».

“Уровнемеры, сигнализаторы и регуляторы уровня однородных и кипящих жидкостей”

Выполнил курсант: Щербаков Е.В.

Группа: УХ-31

Проверил преподаватель Ейдеюс А. И.

Калининград 2004

Лабораторная работа №3

Тема: Уровнемеры, сигнализаторы и регуляторы уровня однородных и кипящих жидкостей.

Цель работы: Изучить устройство, принцип действия и статические характеристики следующих приборов контроля и регулирования уровня жидкостей.

Теоретическая часть:

1. Уровнемеры для несжимаемой (однородной) жидкости: стек­лянные трубки и мерные колонки со стеклами Клингера.

Существует много способов измерения уровня. Одни из них приме­няются, когда жидкость находится при атмосферном давлении, а другие пригодны при любом ее давлении. Рассмотрим наиболее распространен­ные уровнемеры, останавливаясь попутно на сигнализаторах уровня.

Мерные стекла выполняются в виде прозрачной вертикальной трубки, нижний конец которой сообщается с сосудом, находящимся при атмосферном давлении. Шкала с цифровыми делениями уровня распола­гается рядом с трубкой или непосредственно на ней путем нанесения ри­сок.

На сосудах с избыточным давлением жидкости устанавливают мер­ные колонки с толстыми рифлеными стеклами Клингера. В верхней и нижней частях колонки располагаются шариковые клапаны, которые при повреждении стекла под действием разности давлений перекрывают по­ступление измеряемой среды в колонку. Нередко на мерной колонке вместо стекол Клингера устанавливают несколько смотровых глазков круглого сечения из толстого стекла. В ряде случаев за стеклом разме­щается индикатор, цвет которого неодинаков при контакте с жидким и парообразным хладагентом.

Водоуказательный прибор является простейшим уровнеме­ром, состоящим из стеклянной трубки, которая подключена к верхней и нижней частям цистерны. Длина трубки опреде­ляется диапазоном изменения уровня, шкала наносится на пла­стинки, закрепленные к общему каркасу. Стеклянные трубки защищены от повреждений специальными ограждениями. Ци­линдрические стекла диаметром 10—20 мм применяют при дав­лениях до 2,5 МПа, при больших давлениях используют плоские стекла. Погрешность измерения определяется точностью от­счета положения уровня (±1 мм).

2. Гидростатические уровнемеры с дифманометром.

Гидростатические уровнемеры основаны на измерении давления P столба жидкости, которое пропорционально высоте столба h, плотности жидкости р и ускорению свободного падения. Если жидкость находит­ся в открытом сосуде, то можно использовать любой манометр подходя­щей чувствительности. Для измерения уровня жидкости в закрытых сосу­дах применяют дифференциальные манометры ДМ, рис.5.36 е. Если одна трубка заполнена жидкостью, а другая - газом или паром, то перепад давлений ΔP=hpg.

При измерениях уровня воды в паровых котлах применяют уравни­тельный сосуд, в котором поддерживается постоянный уровень Н кон­денсата за счет слива излишков его в котел, рис.5.36 ж. Показания дифманометра при этом имеют обратный знак и определяются выражением: ΔP=(h-H)pg. Существует много дистанционных измерителей уровня во­ды с электрической или пневматической системой передачи деформаций упругого элемента дифманометра.

Если жидкость кипит при температуре ниже, чем температура окружающей среды, то к дифманометру по обеим трубкам поступает пар. Для определенности трубка, подключенная к нижней части сосуда, выполняется в виде петли с вертикальным участком, имеющий хороший тепловой контакт с окружающей средой, рис.5.36 з. Находящийся в этом участке пар оказывается запертым между дифманометром и измеряемым столбом жидкости. Давление в этой трубке отличается от давления в па­ровой части сосуда на величину hpg. В свое время для измерения уровня кипящего аммиака на судах применялись работающие по описанному принципу гампсометры с ртутными стеклянными дифманометрами. Из-за ядовитости паров ртути и возможности разрушения, стеклянных дифманометров эксплуатация таких приборов прекращена.

Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости.

К гидростатическим относятся также пневматические (пьезометри­ческие, пневмеркаторские) измерители уровня жидкости в больших цистернах и ганках. Принцип действия их основан на выталкивании жидкости из вертикальной трубы 1 сжатым воздухом или газом, рис.5.36 и. Дроссельный клапан 2 настраивается так, чтобы из трубы 1 выходили пузыри воздуха. При этом динамический напор отсутствует, а статический - определяется произведением hpg. В точке разветвления 3 давление распространяется равномерно по всем направлениям. Поэтому манометр М можно проградуировать в единицах уровня, если плотность жидкости примерно постоянная.

Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости.

3. Поплавковые уровнемеры с преобразованием сигнала в индуктивное сопротивление, контактное сопротивление, омическое сопро­тивление и в переключение герметичных контактов (герконов).

Электрические уровнемеры содержат емкостный или омический преобразователь. Основу емкостного преобразователя составляет элек­трический конденсатор. Одной обкладкой его обычно служит металличе­ский стержень 1, а другой - трубка 2 с открытым концом, рис.5.36 к. Не­редко роль второй обкладки выполняет металлический корпус сосуда. Обкладки электрически изолированы друг от друга. При вертикальном расположении стержня электрическая емкость C конденсатора изменяет­ся в зависимости от уровня жидкости. Горизонтальное расположение стержня обеспечивает резкое изменение емкости конденсатора и приме­няется в сигнализаторах уровня.

Измерение емкости конденсатора производится с помощью мосто­вой или резонансной схемы. В мостовой схеме контролируемая емкость является одним из плеч моста. Зависящее от уровня жидкости изменение емкости вызывает разбаланс моста. После усиления сигнал разбаланса подается к электроизмерительному прибору, шкала которого градуиру­ется в единицах уровня жидкости.

Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости.

Резонансная схема предполагает параллельное включение контро­лируемой емкости и катушки индуктивности для образования резонанс­ного контура. Он настраивается на резонанс питающей частоты при определенной емкости преобразователя, соответствующей заданному уровню жидкости. Изменение уровня приводит к изменению собственной частоты контура и срыву резонанса. Такая схема используется обычно в емкостных сигнализаторах уровня.

Омический (кондуктометрический) уровнемер содержит проволоч­ный резистор 1, помещаемый в сосуд 2 с электропроводной жидкостью, рис.5.36 л. С повышением уровня жидкости сопротивление R уменьшает­ся. Для измерения его можно применить мостовые схемы или логометр. Размещение в сосуде двух контактов, которые замыкают электрическую цепь при определенном уровне жидкости, позволяет получить сигнализа­тор уровня.

Тепловой (термический) уровнемер основан на разной интенсив­ности теплоотдачи от нагревателя к жидкости и газу (пару). Обычно ко­эффициент теплоотдачи к жидкости на порядок выше, чем к газу. Нагре­ватель выполняется в виде спирального резистора R_Т, имеющего электри­ческую изоляцию и помещенного в герметичную вертикальную трубку, рис.5.36 м. Аналогичную конструкцию имеет компенсационный резистор R_k, располагаемый горизонтально в нижней части сосуда. Оба резистора отличаются большим температурным коэффициентом сопротивления. Они включены в мостовую измерительную схему с постоянными резисторами R₁ и R₂. За счет протекания тока от внешнего источника ре­зисторы R₁ и R₂ нагреваются до высокой температуры.

С изменением уровня жидкости изменяется количество теплоты, от­водимой от резистора R_Т, что сопровождается изменением его темпера­туры и электрического сопротивления. Вследствие этого нарушается рав­новесие моста, вызывающее перемещение стрелки электроизмерительно­го прибора. Влияние температуры жидкости на показания прибора ком­пенсируется включением резистора R_K в противоположное плечо моста.

4. Емкостные уровнемеры.

Емкостные уровнемеры основаны на использовании емкостных преобразовате­лей с переменным диэлект­риком. На рис. 7.5 показан датчик уровне­мера, выполненный в виде цилиндрического конден­сатора, электродами кото­рого являются труба 1 и стержень 2. Датчик поме­щен в измеряемую среду с уровнем h₂. Емкость дат­чика может быть опреде­лена как емкость двух па­раллельно соединенных конденсаторов, один из ко­торых образован электродами длиной h₂ (рис. 7.5) с диэлектриком жидкостью; другой — электродами дли­ной h₁ — h₂ с диэлектриком воздухом. Используя преоб­разования, можно показать, что емкость цилиндрического датчика изменяется пропор­ционально уровню жидко­сти h₂: ΔС = Аh₂

r₁ и r₂ — радиусы стержня и трубы; ε₂ — относительная диэлектрическая проницае­мость жидкости.

Диэлектрические свойства жидкости изменяются в зависи­мости от ее температуры и состава. Это является источником дополнительной погрешности.

Емкостные уровнемеры можно применять также для измере­ния уровня электропроводных жидкостей, например морской воды. В этом случае один из электродов покрывается тон­ким слоем изоляционного мате­риала.

Емкостный датчик можно ис­пользовать для измерения уровня в цистернах любой конфигурации.

5. Акустические, ультразвуковые и радиоизотопные уровнемеры.

Акустические и ультразвуковые уровня основаны на отражении ультразвуковых волн от поверхности раздела сред. Принципиальная схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 7.7. В нижней ча­сти цистерны размещены излучатель 6 и приемник 7 ультразву­ковых колебаний. Излучатель через определенные промежутки времени посылает импульсы ультразвуковых колебаний, которые распространяются со скоростью с. Достигнув поверхности раз­дела сред высотой h, часть энергии ультразвуковых колебаний отражается и с той же скоростью распространяется к прием­нику 7. Время от момента излучения до попадания на приемник равно:

где с—скорость распространения ультразвуковые колебаний в измеряемой среде; к — попра­вочный коэффициент.

Таким образом, промежуток, времени, между излучением и приемом при постоянной скоро­сти распространения колебаний однозначно характеризует уро­вень жидкости.

Излучателем и приемником ультразвуковых колебаний слу­жат пьезоэлектрические преоб­разователи (кристаллы кварца, сегнетовой соли). Генератор 1 вырабатывает высокочастотные электрические колебания, кото­рые подаются на пьезоэлектри­ческий излучатель 6. Отразив­шись от поверхности раздела, колебания поступают на прием­ник 7, где происходит обратное преобразование механических ко­лебаний в электрические. Электрический сигнал усиливается в усилителе 3 до значений, достаточных для измерения в изме­рителе времени 4. Синхронизирующее устройство 2 обеспечи­вает одновременный пуск измерителя времени, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный промежутку времени т. Этот сигнал подается в показывающий прибор 5, шкала которого отградуирована в единицах измерения уровня.

При качке, кренах и дифферентах поверхность раздела ме­няет свою ориентацию относительно излучателя и приемника. Это изменяет путь прохождения сигнала, и даже возможны слу­чаи, когда отраженные ультразвуковые колебания не попадут на приемник. Для исключения этого явления ультразвуковые импульсы направляются по звуководной трубе. В звуководной трубе обеспечивается отражение и попадание импульсов на приемник. Пьезоэлектрические элементы обла­дают обратимостью. Поэтому одну и ту же пластину пьезоэлектрического элемента можно использовать как в качестве излу­чающей, так и в качестве приемной.

К недостаткам ультразвуковых уровнемеров следует отнести влияние температуры на скорость распространения ультразвуко­вых колебаний в измеряемой среде. Это требует введения тем­пературной поправки. Уровнемерам свойственно также наличие «мертвых зон», т. е. начального неизмеряемого уровня. Высота мертвой зоны, в частности, определяется минимальным проме­жутком времени, которое можно измерить вторичными приборами.

Радиоизотопные уровнемеры содержат источник и приемник у - из­лучения. В качестве излучателей обычно используются изотопы кобальта или цезия. Взаимное расположение источника И и приемника П излуче­ния может быть различным, рис.5.36 о. При горизонтальном их распо­ложении получается сигнализатор, фиксирующий резкое ослабление принимаемого излучения после достижения определенного уровня жид­кости. Расположение источника и приемника в вертикальной плоскости позволяет проградуировать счетчик γ - излучения в единицах уровня жидкости. Применение радиоизотопных приборов сопряжено с необхо­димостью защиты людей и окружающей среды от радиации.

Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости.