11

Лабораторна робота №5

ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ

5.1. Мета роботи

Вивчення загальних методів вимірювання рівня, принципів роботи та будови рівнемірів і сигналізаторів рівня.

5.2. Загальні відомості

Рівень є непрямим показником гідродинамічної рівноваги в апараті. Усталеність рівня свідчить про дотримання матеріального балансу, коли приплив рідини дорівнює стоку, і швидкість зміни рівня відсутня.

За принципом дії прилади для вимірювання рівня розрізняються на наступні групи:

– візуальні (безпосереднє спостереження рівня за шкалою), до яких належать покажчик рівня (зонд) та оглядове скло, яке слугує для контролю рівня в закритих ємностях за допомогою метода сполучених посудин;

– поплавкові, де основним елементом приладу є поплавок, що плаває на поверхні рідини, і переміщується разом із зміною рівня рідини;

– буйкові або датчики за переміщенням, в яких застосовується буйок (циліндр з поперечним перерізом А), який частково або повністю занурений у вимірювану рідину; при зануренні на глибину h на нього дії виштовхувальна сила Архімеда , де – густина рідини, g – прискорення земного тяжіння;

– гідростатичні або за тиском, створюваним стовпчиком рідини висотою h, який дорівнює ;

– вагові, в яких вимірюється навантаження, що сприймається однією або кількома опорами ємності, де знаходиться рідина, рівень якої треба визначити;

– електричні, до яких відносяться електроконтактні (кондуктометричні), в яких здіснюється ступінчасте вимірювання або сигналізація рівня за допомогою електроконтактного приймача та ємнісні, що грунтуються на вимірюванні залежної від рівня електричної ємності конденсатора, утворюваного зануреним у рідину датчиком та стінками резервуару, де знаходиться вимірюване середовище;

– ультразвукові, засновані на швидкості розповсюдження високочастотних хвиль в різних середовищах; радіоізотопні та інші.

5.2.1. Електричні рівнеміри

В основі роботи електричних рівнемірів покладено використання електрофізичних властивостей рідин або сипких матеріалів, а саме кондуктометричного та ємнісного принципів вимірювання.

Кондуктометричні (від англ. – conductor – провідник) прилади працюють за принципом фіксації моменту появи провідності між електродами, що введенні у вимірюване середовище. Найпростішими пристроями такого типу є сигналізатори рівня, які спрацьовують за умови замикання двох електродів, що знаходяться у вимірювальній ємності, контрольованим електропровідним середовищем. Роль одного з електродів може виконувати металева стінка ємності (апарату), яка має бути заземленою, а інший електрод повинен бути якісно ізольованим від неї.

В даній лабораторній роботі в якості сигналізатора рівня використовуються сигналізатор рівня рідких або сипких середовищ з дистанційним керуванням САУ-М7Е (фірми ОВЕН), функціональна схема якого наведена на рис. 5.1.

а б

Рис.5.1. Сигналізатор рівня САУ-М7Е: а – функціональна схема, б – зовнішній вигляд

Контроль рівня сигналізатором рівня САУ-М7Е здіснюється за допомогою трьох датчиків. Датчики можуть бути наступних типів:

– кондуктометричні (контролюють ступінь електропровідності середовища);

– активні датчики (ємнісні, індуктивні, омічні та ін.) з вихідними ключами типу n–p–n, які застосовуються для роботи з дієлектричними та сипкими матеріалами;

– механічні контактні пристрої (застосовуються в пристроях поплавкового типу).

Основними елементами приладу САУ-М7Е є:

– 3 вхідних пристрої порівняння (компаратори), які порівнюють напругу вхідного сигналу U_вх з опорною напругою U_опор. При виконанні умови компаратори перемикаються в стан, відповідний досягненюю заданого рівня.

– вихідні пристрої (реле), призначені для управління технологічним обладнанням. Реле ВЕРХ слугує для формування аварійного сигналу у випадку перевищення контрольованою речовиною граничного верхнього рівня. Реле керується за сигналами компаратора 1. Реле РАБОТА керує електроприводом виконавчого механізму (насоса, електромагнітного клапана і т.ін.) і керується блоком логіки за сигналами від компараторів 2 та 3 або від кнопок ручного керування.

Рис. 5.2. Часова діаграма роботи вихідних реле САУ-М7Е

в режимі заповнення резервуара

Ємнісні рівнеміри і сигналізатори рівня використовуть переворення зміну рівня різних матеріалів (рідин, сипких речовин) в зміну електричної ємності конденсатора, який утворюється між електродом і корпусом металевого резервуару. Роль дієлектрика в цьому випадку виконує контрольоване середовище. В чутливих елементах цього типу використовується різниця диелектричної постійної (діелектричної проникності) рідини та газу (діелектрична проникність рідин в 4...80 разів більша від діелектричної проникності газів).

а б

Рис. 5.3. Схема ємнісних рівнемірів: а – для неелектропровідних середовищ; б– для електропровідних середовищ

Чутливий елемент ємнісного рівнеміра складається з двох коаксиально (один в одному) розташованих електродів 1 та 2, частково занурених у вимірюване середовище. Електроди утворюють циліндричний конденсатор, міжелектродний простір якого до висоти h заповнений рідиною або вимірюваним середовищем, а простір – парогазовою сумішшю. Для фіксування взаємного розташування електродів передбачений ізолятор 3.

В загальному випадку електрична ємність циліндричного конденсатора визначається рівнянням

(5.1)

де – відносна діелектрична проникність речовини, що заповнює міжелектродний розчин;

– діелектрична проникність вакууму;

H– висота електродів, м;

– діаметри відповідно зовнішнього та внутрішнього електродів, м.

Повна ємність циліндричного конденсатора С_п дорівнює:

, (5.2)

де – емність прохідного ізолятора;

– ємність міжелектродного простору, заповненого вимірюваним середовищем;

– ємність міжелектродного простору, заповненого парорідинною сумішшю.

Зміна рівня приводить до зміни його в міжелектродному просторі датчика, що викликає в свою чергу зміну його ємності .

Для вимірювання рівня електропровідних матеріалів електроди покриваються шаром ізоляції (фторопластом) (рис. 5.3, б).

Перетворення електричної ємності чутливих елементів у сигнал вимірювальної інформації здійснюється резонансним (із застосування коливального контуру, який входить до складу генератора високочастотних коливань) або імпульсним методом. Також можливо застосування мостів змінного струму із самозрівноваженням.

В даній лабораторній роботі в якості сигналізатора рівня ємнісного типу розглядається компактний ємнісний двопровідний сигналізатор рівня Pointek CLS 100 (фірми Siemens) (рис. 5.4, а) та вимірювач рівня Sitrans LC 300 (рис. 5.4, б).

а б

Рис. 5.4. Зовнішній вигляд: а – сигналізатор рівня Pointek CLS 100; б – рівнемір Sitrans LC 300