Пьезометрический уровнемер

Пьезометрический метод измерения уровня основан на измерении высоты столба жидкости по давлению, которое создаёт этот столб. В этом случае уровень жидкости можно определить подключением манометра к нижней отметке ёмкости, продувкой воздуха или при помощи дифференциального манометра.

На рис. 1 изображены два способа измерения уровня жидкости в резервуаре: при помощи установки манометра и продувкой воздухом.

При измерении уровня продувкой воздухом опускают в резервуар на фиксированное расстояние трубку. Через трубку прокачивают воздух, который, выходя из свободного конца пузырьками, препятствует поступлению жидкости в трубку. Давление воздуха, прокачиваемого по трубке, всегда будет равно гидростатическому давлению столба жидкости:

, (18)

где – высота столба жидкости над обрезом трубки; – удельный вес жидкости.

Рис. 1. Схема измерения уровня жидкости при помощи манометра и пьезометрическим способом (продувкой воздухом)

Уравнение, связывающее давление Р с текущим значением уровня в сосуде и различными параметрами уровнемера и жидкости, в общем случае будет иметь вид:

, (19)

где – поправка, учитывающая вертикальный градиент давления и зависящая от возвышения манометра l над нижним обрезом трубки; – поправка на преодоление сил трения по длине импульсной трубки; – поправка на потери давления из-за действия сил поверхностного натяжения жидкости.

Поправка вводится либо при значительном давлении газа (свыше 7 кгс/см²), либо при значительном возвышении манометра над уровнем жидкости.

Потери давления на трение по длине трубки определяются как:

, (20)

где – коэффициент гидравлического сопротивления трубки, функциональная зависимость которого определяется режимом движения газа в ней; – диаметр импульсной трубки; – длина импульсной трубки от нижнего обреза до манометра; – скорость движения газа в трубопроводе; – объёмный расход газа.

Существует тенденция выбирать диаметр трубки по возможности большим в пределах от 6 до 20 мм, сводя к минимуму потери на трение.

Расход воздуха, как правило, выбирается опытным путём и обычно колеблется от 0,1 до 2 л/мин, что соответствует скорости газа 8–10 м/с. Практически расход газа должен быть таким, чтобы обеспечивалось постоянное его прохождение через жидкость с образованием цепочки пузырей без слияния их в сплошную струю.

Потери давления на поверхностное натяжение можно определить по формуле

, (21)

где – сила поверхностного натяжения жидкости.

Характерно, что все поправки, вводимые в результат измерения, не зависят от текущего значения уровня, поэтому для определения суммарной величины поправок достаточно провести тарировку датчика в одной точке.

Пьезометрический уровнемер пригоден для измерения уровня практически любой жидкости. Агрессивность среды не оказывает влияния на работу уровнемера при правильном выборе материала импульсной трубки. Единственным лимитирующим параметром жидкости является её вязкость. Влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков, отрыв которых от обрезов трубки сопровождается возникновением колебаний в измерительной линии, что отражается на точности измерения уровня. Пьезометрический уровнемер пригоден для измерения уровня жидкостей, вязкость которых не превышает 1800–2000 сСт (санти Стокс).

Пьезометрический метод измерения уровня можно легко использовать для измерения плотностей жидкости. Для этого заполняют один сосуд эталонной жидкостью, плотность которой известна (например, водой), а другой сосуд – испытуемой жидкостью с неизвестной плотностью . Уровни в обоих сосудах поддерживаются на одинаковой высоте. В каждый сосуд на равную глубину Н, м, вводят трубки, через которые продувают воздух.