Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ЕМКОСТНЫМ УРОВНЕМЕРОМ
Методические указания
к лабораторной работе
2010
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
ЕМКОСТНЫМ УРОВНЕМЕРОМ
Методические указания
к лабораторной работе
2010
Составители: доц. А.Р. Герке
доц. А.В. Лира
доц. М.Ю. Перухин
Измерение уровня жидкости емкостным уровнемером: метод. указания к лабораторной работе / А.Р.Герке, А.В.Лира, М.Ю.Перухин; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т.– Казань : КГТУ, 2010 – 16 с.
Изложен материал по лабораторной работе «Измерение уровня жидкости емкостным уровнемером». Приведено описание экспериментальной установки, даны краткие теоретические положения по изучаемой теме, изложен порядок проведения работы.
Предназначено для студентов очной, заочной и очно-заочной форм обучения механических и технологических специальностей при изучении ими курса автоматизации технологических процессов.
Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации.
Табл. 1. Ил.8. Библиогр.: 2 назв.
Печатаются по решению редакционно-издательского совета института управления, автоматизации и информационных технологий.
Рецензенты: зав. каф. АТПП КГЭУ д-р. техн. наук,
проф. К.Х.Гильфанов
кандидат технических наук,
доцент кафедры АиУ
КГТУ (им. А.Н. Туполева) С.А.Терентьев
А.Р.Герке, А.В.Лира, М.Ю.Перухин, 2010
Казанский государственный
технологический университет, 2010
Лабораторная работа № 15
Измерение уровня жидкости
емкостным уровнемером
Цель работы: ознакомиться с принципом действия наиболее распространенных уровнемеров и методикой определения уровня емкостным уровнемером; выполнить градуировку измерительного комплекта.
Приборы и преобразователи для измерения уровня
Приборы для измерения уровня жидкости подразделяют на:
визуальные;
гидростатические;
поплавковые и буйковые;
электрические;
акустические (ультразвуковые);
радиоизотопные уровнемеры.
Визуальные уровнемеры выполняются в виде мерных линеек, реек, рулеток и уровнемерных стекол. Наибольшее распространение получили уровнемерные стекла (рис.1), основанные на законе сообщающихся сосудов. Их изготавливают в виде стеклянной трубки соединенной с аппаратом. Наблюдая за уровнем жидкости в трубке, судят о величине уровня в емкости. Уровнемерные стекла применяют для местного измерения уровня в аппаратах, работающих при атмосферном или избыточном давлениях.
Рис. 1. Использование уровнемерного стекла.
Поплавковые датчики уровня (рис.2) одни из самых недорогих и, вместе с тем, надежных устройств для измерения уровня жидкостей. В этих приборах чувствительным элементом является плавающий поплавок, плотность которого меньше плотности жидкости, при этом поплавок следит за уровнем жидкости.
Рис. 2. Поплавковый уровнемер.
Буйковые уровнемеры (рис.3) имеют погруженный буек, плотность которого больше, чем плотность жидкости. Он работает по принципу изменения выталкивающей (архимедовой) силы, действующей на буек, который удерживается в подвешенном состоянии упругим элементом (пружиной).
Рис. 3. Буйковый уровнемер.
Гидростатические уровнемеры. Их действие основано на взаимосвязи гидростатического давления столба жидкости Р и измеряемого уровня h при постоянной плотности ρ.
P = ρgh
Различают следующие виды гидростатических уровнемеров:
1) с манометром, подключенным к емкости на высоте соответствующей нижнему предельному значению уровня (рис.4а)
2) с дифференциальным манометром, подключенным к резервуару на высоте, соответсвующей нижнему предельному значению уровня и к уравнительной емкости. Для измерения уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением используется схема (рис. 4б), а в аппаратах под давлением – (рис. 4в). В дифманометрических уровнемерах уровень жидкости определяется по перепаду давлений столбов жидкости в аппарате и в уравнительном сосуде.
Рис. 4. Гидростатические уровнемеры.
3) пьезометрические, действие которых (рис.4г) основано на измерении давления воздуха или газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, уровень которой измеряют.
Электрические уровнемеры. По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические (омические). Для измерения уровня жидких диэлектриков применяют емкостные уровнемеры (рис.5а). Чувствительным элементом последних служит конденсатор, между вертикально установленными обкладками которого находится измеряемая среда. Емкость электрического конденсатора зависит от коэффициента диэлектрической проницаемости. У измеряемой среды и газа над ней эти коэффициенты существенно различны. Изменение уровня приводит к изменению общего коэффициента диэлектрической проницаемости и емкости чувствительного элемента. Значение этой емкости преобразуется в пропорциональный сигнал с помощью электронного преобразователя. Емкостные уровнемеры можно также использовать для измерения уровня как жидких, так и сыпучих сред. Для измерения уровня электропроводных жидкостей один из электродов датчика покрывают фторопластовой изоляцией.
Кондуктометрические уровнемеры (рис.5б) предназначены для сигнализации уровня электропроводящих жидких и сыпучих сред с удельной проводимостью более 10-3 См/м. При достижении уровнем заданного значения (h) замыкается электрическая цепь между двумя электродами. При этом срабатывает реле, контакты которого включены в схему сигнализации.
а) б)
Рис. 5. Емкостной (а) и кондуктометрический (б) уровнемеры.
Акустические и ультразвуковые уровнемеры. Этот метод позволяет измерять уровень при отсутствии контакта с контролируемой средой и в труднодоступных местах. В настоящее время предложены различные принципы построения акустических уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации. В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения акустическими колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приёмника излучения (рис. 6). То есть, уровень среды h в резервуаре определяется по времени запаздывания τ отраженного сигнала относительно посланного при известной скорости распространения звука а в рабочей среде.
τ = 2h/a
Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала). Уровнемеры, в которых локация границы раздела двух сред осуществляется через газ, называют акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред через слой рабочей среды – ультразвуковыми.
Рис. 6. Акустический уровнемер.
Радиоизотопные уровнемеры. Измерение уровня жидкости этими приборами основано на изменении интенсивности радиоактивного излучения при прохождении его через слой жидкости. Источник и приемник излучения расположены снаружи с противоположных сторон аппарата, уровень жидкости в котором измеряется. Если уровень жидкости изменяется относительно линии, соединяющей источник и приемник излучения, то последний фиксирует изменение интенсивности излучения. Это изменение преобразуется в электронном блоке в электрический сигнал, который измеряется вторичным прибором. Радиоизотопные уровнемеры применяют для измерения уровня в закрытых резервуарах, заполненных агрессивной или легковоспламеняющейся жидкостью, а также жидкостью под высоким давлением или при высокой температуре (расплавленные металлы).
Описание установки и методика проведения работы
Функциональная схема установки для определения уровня жидкости и градуировки емкостного уровнемера приведена на рис.7.
В аппарат 1, уровень в котором измеряется, жидкость подается по впускному трубопроводу с вентилем 2. Из аппарата жидкость вытекает по сливной трубе с вентилем 3. Внутри аппарата расположен первичный измерительный преобразователь. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической ёмкости чувствительного элемента от уровня жидкости. Конструктивно ёмкостный чувствительный элемент выполнен в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов 4 и 5 (рис. 7). Электроды частично погружены в жидкость и образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого частично заполнено жидкостью до высоты уровня, а пространство над ней – парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 9.
При проведении работы в емкости 1 вентилем 2 устанавливают различные уровни жидкости, которые измеряют емкостным уровнемером и фиксируют по цифровой шкале электронного вторичного прибора 8; одновременно уровень определяют так же по шкале 6 уровнемерного стекла 7, показания которого принимают за действительные значения измеряемой величины. Измерения проводят для заданных значений уровня. Полученные данные заносят в таблицу и по ним строят градуировочную характеристику (зависимость показаний вторичного прибора от уровня).
1 – аппарат; 2 – вентиль притока;
3 – вентиль стока; 4, 5 – электроды;
6 – шкала уровнемерного стекла;
7 – уровнемерное стекло;
8 – вторичный прибор; 9 – изолятор.
Рис 7. Функциональная схема емкостного уровнемера.
1 – корпус установки; 2 – вентиль притока; 3 – вентиль стока;
4, 5 – тумблеры; 6 – шкала уровнемерного стекла;
7 – уровнемерное стекло; 8 – вторичный прибор;
9 – кран подачи воды на установку.
Рис 8. Внешний вид установки.
Порядок выполнения работы
Градуировка емкостного уровнемера:
1) заготовить таблицу для записи экспериментальных данных;
2) включить электропитание установки тумблером 4 (рис.8), перевести переключатель 5 в положение 15б;
3) закрыть вентиль 3, открыть кран подачи воды 9 на установку, а также вентиль притока 2. Бак начнет наполнятся водой;
4) при достижении уровнем воды по шкале 6 уровнемерного стекла 7 первой заданной градуируемой отметки, произвести отсчёт показаний G цифрового индикатора вторичного прибора 8. Результаты записать в таблицу экспериментальных данных;
5) Повторить работу для остальных заданных точек. Заполнить таблицу и построить градуировочную кривую – зависимость вида G = f (h).
6) выключить тумблер 4, закрыть вентиль 2 и кран 9, слить воду, открыв вентиль 3.
Таблица
Показания h по уровнемерному стеклу, мм |
Показания G вторичного прибора |
Значения задаются преподавателем
|
|
Требования к отчету
Номер, название, цель работы;
Таблица экспериментальных данных;
Градуировочный график G = f (h);
Схемы средств измерений из указанных учебников:
1. Схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами
[1] рис. 23.8, с.198
[2] рис. 8.4, с.249
[3] рис. 5.5, с.207
2. Принципиальные схемы электрических уровнемеров
[1] рис. 23.9, 23.10, с.201
[2] рис. 8.7, с.255
[1]. М. В. Кулаков. Технологические измерения и приборы для химических производств. Москва, 1983г. с.424.
[2]. Н. Г. Фарзане, Л. В. Илясов, А. Ю. Азим-Заде. Технологические измерения и приборы. Москва, 1989г. с.456.
[3]. Г. И. Лапшенков, Л. М. Полоцкий. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Москва, 1988г. с.288.
Контрольные вопросы
1) Какие методы измерения уровня жидкости применяются в химической промышленности?
2) Назовите методы измерения уровня сыпучих сред.
3) Каково принципиальное различие поплавкового и буйкового уровнемеров.
4) Объясните принцип работы гидростатического уровнемера.
5) Как работают емкостный уровнемер, сигнализатор уровня?
6) Какой принцип действия акустических и ультразвуковых уровнемеров.
7) Как производится градуировка уровнемеров?
Литература
1. Лапшенков, Г.И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности / Г. И. Лапшенков, Л. М. Полоцкий (Технические средства и лабораторные работы). – М. : Химия, 1988. – 288 с.: ил.
2. Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы / Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-Заде. – М. : «Высшая школа», 1989. – 456 с.: ил.