Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов

Работа 15

Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов

1. Методы измерения уровня жидкости, применяемые в химической промышленности

В химической промышленности для измерения уровня жидкости в основном используются следующие методы измерения:

 С помощью указательных стёкол. Указательные стекла применяются для местного измерения уровня в аппаратах, работающих при атмосферном или избыточном (до 1 МН/м²) давлении;

 С помощью поплавковых уровнемеров. В этих приборах чувствительным элементом яв­ляется поплавок с меньшей (плавающий) или большей (погруженной) плотностью, чем плотность жидкости. Изменение уровня жидкости в аппарате с плавающим по­плавком вызывает его перемещение, которое посредством системы рычагов, тяг и тросов передается указателю, движущемуся по шкале, или вторичному прибору для показания, записи или передачи на расстояние значений высоты уровня жидкости в аппарате. В таких уровнемерах поплавок следит за уровнем жидко­сти.

Действие уровнемеров с пружинным поплавком основано на изменении вы­талкивающей (архимедовой) силы, действующей на поплавок при его погружении в жидкость. Такой поплавок удерживается в подвешенном состоянии посред­ством пружинного элемента. Благодаря этому значительные по величине измене­ния уровня жидкости будут приводить лишь к небольшим перемещениям по­плавка.

 С помощью гидростатических уровнемеров. Они служат для измерения гидростатического дав­ления столба жидкости. Различают гидростати­ческие пьезометрические и дифманометрические уровнемеры.

Действие гидростатических пьезометрических уровнеме­ров основано на изменении давления воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости, с измеряемым уровнем при изменении последнего. Их часто применяют для определения уровня жидкостей с повышенной вязкостью. Дей­ствие гидростатических дифманометрических уровнемеров основано на определении уровня по перепаду давления между столбами изме­ряемой жидкости в аппарате и в уравнительном сосуде, уровень в котором постоянен [1].

Для предотвращения взрывов на объектах химической промышленности не применяются приборы, принцип работы которых основан на получении электрического сигнала, например: электрические уровнемеры (емкостные и омические), и достаточно дорогой и опасный радиоактивный метод.

2. Методы измерения сыпучих сред

Уровень сыпучих сред измеряется с помощью поплавкового и весового уровнемеров:

 Работа поплавкового уровнемера с поплавком постоянного погружения основана на поддерживающей способности сыпучего тела, выражающейся в том, что опущенный на открытую по­верхность поплавок прибора не проваливается в глубь сы­пучего материала.

 Весовые уровнемеры сыпучего материала применяются в тех случаях, когда подвеска бункера не вызывает конструктивных осложнений и загрузка и выгрузка материала производятся не рывками, а равномерным потоком. В качестве преобразова­телей в этом случае могут быть использованы различные весовые устройства. Так, в качестве преобразователя предельного уровня, если бункер покоится на опорных пружинах, могут быть исполь­зованы конечные выключатели. При нагружении бункера про­исходят сжатие опорных пружин и линейное перемещение бун­кера по вертикали. Штанга, укрепленная на бункере, взаимо­действуя с конечными выключателями, обеспечивает срабатыва­ние при наполнении и опорожнении бункера.

В качестве преобразователей весовых уровнемеров могут использоваться мессдозы. В этом случае измеряется давление, передаваемое на опору бункера. Это давление является функцией степени наполнения бункера материалом [1].

3. Принцип работы гидростатического уровнемера. Дифманометр типа ДМ

В гидростатическом уровнемере и дифманометре типа ДМ измерение уровня жидкости H постоянной плотности  сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости с изменением высоты уровня, т. е. р = Нρg.

Мембранный дифманометр ДМ (рис.1) является бесшкальным прибором с индукционным датчиком, работающим с вторич­ными дифференциально-трансформаторными приборами типа КСДЗ, ЭПИД, ЭИВ, ДС и др. Он предназначен для дистанционного измерения избыточных давлений, разрежений или перепадов дав­ления жидкостей, паров и газов, не разрушающих чувствительный элемент прибора. При этом величина измеряемого параметра пре­образуется дифманометром в пропорциональный электрический сигнал, передаваемый далее на вторичный прибор [4].

Действие дифманометра основано на использовании деформа­ции чувствительного элемента прибора при воздействии на него разности давлений. Чувствительным элементом дифманометра является мембран­ный блок, помещенный в корпусе 1 и включающий мембранные ко­робки 11 и 12, сваренные из четырех мембран, имеющих концентрические гофры. При наложении мембран профили их совпадают, что предохра­няет мембраны от разрушения при перегрузках.

Внутренние полости коробок, заполненные дистиллированной водой или ее смесью с глицерином, сооб­щаются между собой через отверстие в перегородке 2. Мембраны изготовляются из нержавеющей стали с высоки­ми упругими свойствами или бериллиевой бронзы.

Давления передаются через импульсные линии 3 и 10, на которых установлены два за­порных вентиля 6 и 7 и урав­нительный вентиль 8. С цен­тром верхней мембраны свя­зан сердечник 9 дифферен­циально-трансформаторной ка­тушки 4, закрытой колпаком 5.

Большее давление подается в нижнюю (плюсовую) каме­ру, а меньшее - в верхнюю (минусовую). Под воздейст­вием разности давлений в ка­мерах нижняя мембранная ко­робка сжимается, жидкость из нее поступает в верхнюю коробку, вызывая перемещение верхнего центра и связанного с ним сердечника индукционного дат­чика. Деформация продолжается до тех пор, пока силы, вызван­ные перепадом давления, не уравновесятся упругими силами мем­бранных коробок. При перемещении сердечника 9 индукционного датчика измеряемая величина преобразуется в электрический сиг­нал и передается на вторичный прибор.

Для уменьшения погрешности вследствие изменения темпера­туры окружающей среды верхняя мембранная коробка дифмано­метра выполнена более жесткой, чем нижняя. Благодаря этому изменение температуры окружающей среды приводит в основном лишь к изменению объема нижней мембранной коробки, и сердеч­ник не получает дополнительного смещения.

Мембранные дифманометры выпускаются на предельные пере­пады давления 16—250 МН/м² (160—2500 кгс/м²) и 40—630кН/м² (0,4—6,3 кгс/см²).

Допускаемые статические давления до 25 МН/м² (250 кгс/см²).

4. Принцип работы емкостного уровнемера, сигнализатора уровня

В емкостных уров­немерах используются диэлек­трические свойства контроли­руемых сред. В емкостных уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал [1].

Уровнемер состоит из емкостного преобразователя, электронного блока, местного и дистанционного указателей уровня, сигнализатора уровня.

Цилиндрический емкостный преобразователь (рис. 2) представляет собой две (или несколько) коаксиально распо­ложенные трубы, две (или несколько) плоские (рис. 2б) параллельно расположенные пластины, между которыми на вы­соте h находится жидкость.

Емкость преобразователя будет равна сумме емкостей двух участков: погруженного в жидкость с диэлектрической проницаемостью ε_ж и находящегося в среде с диэлектрической проницаемостью ε_ср (для воздуха ε = 1).

Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис. 3. В сосуд с жидкостью 1, уровень которой необходимо измерять, опущен электрод 2, покрытый изоляционным материа­лом. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилиндри­ческий конденсатор, емкость которого меняется при колебаниях уровня жидкости. Величина емкости измеряется электронным блоком 3, который затем подает сигнал в блок 4, представляющий собой релейный элемент в схемах сигнализации достижения определенного уровня или указывающий прибор в схемах изме­рения уровня.

Принцип действия сигнализатора уровня заключается в том, что при резонансном методе контролируемая емкость, включен­ная параллельно с индуктивностью, образует резонансный кон­тур, настроенный на резонанс питающей частоты при опреде­ленной начальной емкости преобразователя, которая соответ­ствует наличию или отсутствию контролируемого вещества на заданном уровне.

Изменение емкости преобразователя приводит к изменению собственной частоты контура и срыву резонанса.

Емкостный сигнали­затор, может быть использован для контроля в резервуарах уровня воды, кислотных и щелочных растворов, нефтепродуктов, масел и других жидких сред, а также для контроля в бункерах уровня сыпучих материалов.

При заметной разнице диэлектрических проницаемостей двух сред сигнализатор может быть применен для контроля положения границы раздела этих сред [1].

6