1.2 Измерители уровня пьезометрические

При измерении уровня вязкой или агрессивной жидкости приме­няются пьезометрические измерители уровня. Пьезометрическим ме­тодом измерения уровня предусматривается продувание сжатого воз­духа или инертного газа, через слой измеряемой жидкости.

Измерительная схема показана на рис. 1.

Рис. 1

В открытом резервуаре 7 , где нужно измерить уровень жидкос­ти , установлена тонкая металлическая трубка 6 , по которой через регулятор давления 1 непрерывно поступает сжатый воздух. После регулятора давления установлен манометр 2 , показывающий поддерживаемое регулятором значение параметра. После регулятора давле­ния и манометра в линии сжатого воздуха находится контрольный стаканчик Ч с жидкостью, играющей роль гидравлического затво­ра. Сжатый воздух от регулятора давления проходит через слой жид­кости в контрольном стаканчике и поступает по пневматической ли­нии 5 в пьезометрическую трубку. По количеству пузырьков газа, проходящего в I минуту через стаканчик, контролируют и устанавли­вают регулятором давление воздуха, постоянное его количество. В линию сжатого воздуха после контрольного стаканчика включен ма­нометр-преобразователь давления 8 с выходом нормированного сиг­нала ГСП в диапазоне 0,02-0,1 МПа на вторичный прибор3 (типа ПВ10.З), установленный на лицевой панели 1 стенда.

Если в резервуаре жидкость находится под избыточным давле­нием, то вместо манометрического преобразователя устанавливает­ся дифманометр. Плюсовой сосуд его присоединяют к трубке, опущен­ной в резервуар, а минусовой сообщают с пространством над измеряе­мой жидкостью. Сжатый воздух или инертный газ продувают в обе ли­нии.

Для пьезотермического измерения уровня применяются контроль-ные стаканчики КС-6Л и КС-6Щ, а также блоки питания сжатым воз­духом БПВЩ.

Значение уровня жидкости в сосуде связано со значением давления воздуха или газа в газовой системе пьезометрического уровнемера со­отношениями:

Р_с.в=Р_г.ж+Н_жρ_жg, (1)

Н_ж= (Р_с.в- Р_г.ж)/ ρ_жg, (2)

Н_ж=К∆Р, (3)

где P_с.в- давление сжатого воздуха или газа, подаваемого в пьезометрическую трубку;

Р_г.ж- давление над жидкостью в резер­вуаре; Нж - уровень жидкости в резервуаре;

ρ_ж- плотность измеряемой жидкости; ∆Р -показания дифференциального манометра;

К=1/ ρ_жg.

1.3 Емкостные уровнемеры

Емкостные уровнемеры широко применяются для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей в различ­ных объектах в химической, нефтехимической и других отраслях про­мышленности. Они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до 25-60 кгс/см2 (2,5-6,0 МПа) и имеющих температуру от -40 до 200°С. Эти ограничения обусловле­ны надежностью применяемой изоляции для изготовления общепромышлен­ных первичных преобразователей емкостных уровнемеров.

Емкостные уровнемеры нельзя применять для измерения уровня вязких (более 0,980 Па*с), пленкообразующих, кристаллизующихся и имеющих осадок жидкостей, а также взрывоопасных сред.

Действие рассматриваемых уровнемеров основано на изменении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в ре­зервуаре. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уров­ня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет со­бой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого рас­положены коаксиально. 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 преоб­разователя и воздухом или парами жидкости.

При применении емкостных уровнемеров необходимо иметь в ви­ду, что измеряемый уровень жидкости функционально связан с ди­электрической проницаемостью веществ. Поэтому при изменении уровня жидкости емкостным уровнемером следует учитывать, что значение диэлектрической проницаемости жидкости изменяется с изменением ее температуры.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уро­вень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропроводные и электропроводные. Такое деление жидких диэлектриков имеет некоторую условность, но является практически целесообраз­ным. Жидкости, имеющие удельное сопротивление σ =10⁷…10⁸0м*м и относительную диэлектрическую проницаемость ε_ж<=5…6, отно­сятся к группе неэлектропроводных, а жидкости, имеющие σ<= 10⁵…10⁶Ом*м и ε_ж=7…10, относятся к группе электропроводных. Следует отметить, что удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость жидкостей в большой степени зави­сят от частоты напряжения, на которой измеряется уровень. Из-за различия электрических характеристик жидкостей емкостные преобра­зователи уровнемеров выполняют различными: один из электродов преобразователя для измерения уровня электропроводных жидкостей покрывают электрической изоляцией, а электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолируют.

Некоторые типы емкостных уровнемеров применяются для сигна­лизации и дистанционного измерения уровня сыпучих тел с постоян­ной влажностью.

Емкостные преобразователи для измерения уровня неэлектропро­водных жидкостейвыполняют в виде цилиндра, жесткого стержня или троса. В последнем случае вторым электродом служит металлическая стенка резервуара. Для обеспечения постоянства характеристик пре­образователя и повышения точности измерения уровня целесообразно применять преобразователи со стержнем или тросом, располагаемым в стальной трубе, являющейся вторым электродом преобразователя.

Рассмотрим приведенную на рис. 2 схему устройства емкостного преобразователя уровнемера, выполненного в виде цилиндрического конден­сатора из двух коаксиально расположенных стальных труб 2 в 3. Для большей нагляднос­ти преобразователь погружен в резервуар 1, в котором изме­ряется уровень жидкости.

Емкость преобразователя Соа , измеренная на зажимах а , когда между электродами

2 и 3 на рабочем их участке высотою Н находятся воздух, определяется выражением

Соа=С1+Со.п, (1)

Рис. 2

где C₁- емкость проходного изолятора 4 и соединительного кабе­ля, значение которой не зависят от среды, находящейся между элект­родами 2 и 3 ; Соп - начальная емкость, преобразователя на ра­бочем его участке высотою Н , заполненном воздухом, для которого можно принять относительную диэлектрическую проницаемость ε_в=1,

Соп=(2πε_оН)/(lnr₂) (2)

r₁

Здесь ε_о- электрическая постоянная или абсолютная диэлектричес­кая проницаемость свободного пространства (ε_о= 8,85x10^-12Ф/м);

r_1,r₂- соответственно радиусы электродов 3 и 2 , м.

Если конденсатор преобразователя на участке высотою h запол­нен жидкостью, уровень которой измеряется, а на участке И - h -воздухом и парами этой жидкости, то емкость преобразователя на зажимах а определяется выражением:

Спа=С1+Сп=С1+С2+С3, (3)

Где Сп=С2+С3 – емкость преобразователя; С2- емкость преобразователя на участке высотою Н-h, заполненном воздухом и парами жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε_2,

С2=2πε_оε₂(Н-h); (4)

Ln(r_2/r₁)

C3- Емкость преобразователя на участке высотоюh, заполненном жидкостью с относительной диелектрической проницаемостью ε_ж,

С3=πε_оε_жh. (5)

ln(r₂/r₁)

Учитывая выражение (2), (4), (5), уравнение (3) можно представить в виде

Спа=С1+Соп(ε₂+(ε_ж-ε₂)h/Н). (6)

Из этого выражения следует, что при нормальных условиях измерения

Спа=f(h/Н).

Для обеспечения однозначной зависимости этой функции при изме­рении уровня жидкости в рабочих условиях эксплуатации необходимо иметь постоянные значения С1, ε₂и ε_ж. Постоянство значения С1 в необходимых пределах обеспечивается благодаря приме­нению изоляционных материалов и кабеля с малым температурным коэф­фициентом электрической емкости. Изменениями значения ε₂можно пре­небречь, так как для большинства газов и паров жидкостей, уровень которых измеряют емкостным методом, относительная диэлектрическая проницаемость ε₂незначительно отличается от единицы, и поэтому мож­но принять ε₂= 1. В этом случае без учета емкости C1 выражение (6) принимает вид:

Сп=Соп(ε₂+(ε_ж-1)h/Н). (7)

Обеспечить в рабочих условиях эксплуатации постоянство значе­ния относительной диэлектрической проницаемости жидкости, уровень ко­торой измеряется, практически невозможно. Если обозначить диэлектри­ческую проницаемость жидкости в условиях эксплуатации через ε’_ж, то уравнение (7), в котором ε_жсоответствует градуировочному значению, принимает вид

С^’п=Соп(1+(ε’_ж-1)h/Н, (8)

Вычитая это уравнение из выражения (7), имеем

∆Сп=Сп-С’п=Соп∆ε_жh/Н, (9)

где ∆ε_ж=ε_ж-ε’_ж.

Таким образом, в рабочих условиях эксплуатации отклонение от градуировочного значения приводит к изменению емкости преобразова­теля, а следовательно, и показаний уровнемера. Как видно из формулы (9), с ростом значения h увеличивается и ∆Сп и в большей степени изменяется погрешность измерения.

Рассмотрим влияние активного сопротивления утечек преобразо­вателя на точность измерения уровня. Полное сопротивление преобра­зователя на точность измерения уровня. Полное сопротивление пре­образователя Z по отношению к зажимам aсостоит из емкостного сопротивления и параллельного ему активного сопротивле­ния. В этом случае полная проводимость цепи преобразователя определяется выражением

1/z²=1/Rпа +1/(1/(1/ωRпа))², (10)

Где Спа – емкость преобразователя (3); ω=2πf;f- частота, Гц.

1/Rпа=1/R1 + 1/Rп. (11)

В формуле (11) R1 - активное сопротивление утечки, которое не изменяется при изменении уровня жидкости. Значение этого соп­ротивления зависит от качества изоляционных материалов, используе­мых в конструкции преобразователя, от сопротивления утечки соеди­нительного кабеля, а также проводящих пленок, которые могут образо­ваться на поверхности изоляторов.

Активное сопротивление утечки преобразователя Rn определя­ется в основном высотой уровня жидкости в нем, т.е. значением ^/у . Если учесть, что удельное электрическое сопротивление неэлектро­проводных жидкостей достаточно большое, то вследствие этого значе­ние проводимости утечки ^//Рд будем весьма мало.

Электронный индикатор уровня типа ЭИУ-2предназначен для не­прерывного измерения уровня жидких и сыпучих сред. Цринцип работы прибора, электрическая схема которого показана на рис. 3, основан на измерении электрической емкости датчика при изменении уровня контролируемой среды вдоль оси датчика. Измерение электрической емкости датчика производится индуктивно-емкостным мостом, который состоит из индуктивностей обмоток 3-4 и 4-5 трансформатора Tpl и конденсаторов (77, С8, 09, СЮ и СИ. С изменением уровня измеряемой среды вдоль оси датчика меняется электрическая емкость датчика, что приводит к нарушению равновесия моста и появлению на его выходе сигнала разбаланса, пропорционально уровню измеряе­мой среды. Диапазон измерения зависит от типа датчика, его дли­ны, характеристики измеряемой среды и монтажа датчика на резервуаре,

В комплект прибора входят электронный блок, датчик, показыва­ющий прибор и соединительный радиочастотный кабель. Параллельно измерительному прибору возможно подсоединение записывающего потен­циометра, не входящего в комплект поставки. Вшостный датчик представляет собой электрод, погружаемый в измерительную среду. По конструкции электрода датчики разделяются на стержневые, плас­тинчатые, тросовые и кабельные. Для измерения агрессивных токопроводящих сред электроды изолируются. Детали датчиков, соприкаса­ющиеся со средой, изготовляются из стали XI8H9T.

Основная погрешность прибора не превышает 2,5% от предела измерения. Прибор не предназначен для работы во взрывоопасной среде и взрывоопасных помещениях в среде вязкой, кристаллизую­щейся среде при наличии тряски, вибрации и ударов. Длина линии связи датчика с электронным блоком - 10,20,30,40 и 50 м (в зави­симости от заказа). Длина линии связи электронного блока с показы­вающим прибором - не более 500 м. Выходной сигнал прибора 0-100 мВ. Питание прибора осуществляется от сети 220 или 127 В, 50 Гц, по­требляемая мощность - 3 В*А. Температура окружающего воздуха - от 0 до 50°С, относительная влажность - до 80%.