В.А. Старовойтов Местный и дистанционный контроль уровня жидкости

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение методов и принципов действия устройств для измерения уровня жидкостей, а также приобретение навыков в определении уровня имеющимися на стенде приборами.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Ознакомление с измерительными устройствами, преобразователями и приборами, установленными на стенде.

2.2.Заполняя последовательно резервуар водой и затем сливая ее, произвести 5-6 измерений уровня с помощью всех предназначенных для этого технических средств.

2.3.Оценить точность измерений, считая измерения, произведенные мерной линейкой, образцовыми.

2.4.Представить данные для тарировки шкал измерительных приборов в единицах уровня.

3.УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ

Поскольку работа предполагает одновременное участие 2-3 студентов, составляется один (общий) отчет с указанием названия работы, цели ее проведения и фамилий участников. Кроме того он должен содержать необходимые экспериментальные и расчетные данные.

4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Значительная часть объектов управления, в качестве которых можно рассматривать разнообразные конструкции машин и аппаратов, требует постоянного контроля или оперативного регулирования уровня жидких сред, находящихся в них.

Устройства для измерения уровня жидкостей называют уровнемерами. Выбор метода измерения и типа уровнемера в каждом конкретном случае определяется условиями его работы и назначением.

Для измерения уровня жидкости наибольшее распространение получили указательные стекла, поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и акустические уровнемеры.

2

В настоящей работе используются первые четыре из вышеуказанных типов уровнемеров.

Работа указательных стекол для жидкостей основана на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.

Указательные стекла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и для продувки системы. В арматуру указательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закрывающие каналы в головках при случайной поломке стекла.

вой области и проходят внутрь в область заполнения жидкостью. При этом часть стекла, соприкасающегося с жидкостью, кажется темной, а часть стекла, соприкасающегося с парами или газом, — серебристобелой. Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300 °С.

Указательные стекла не рекомендуется выполнять длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося на большую величину, устанавливают несколько стекол (рис. 1 в) так, чтобы они перекрывали одно другое.

3

В поплавковых уровнемерах перемещение поплавка на поверхности жидкости передается на показывающее устройство или преобразователь для преобразования перемещения или силы в выходной сигнал.

за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса добавляется сила тяжести троса). В более сложных конструкциях эти недостатки устранены [1, c. 195].

Широкое распространение, и особенно для герметичных аппаратов, работающих при больших давлениях, получили поплавковые уровнемеры переменного погружения, называемые также буйковыми из-за специфической формы поплавка (отклонение диска к диаметру более трех при длине цилиндра до 1,6 м).

На рис. 3 приведена схема перемещения цилиндрического поплавка переменного погружения.

Для положения, показанного на рис. 3 а, условие равновесия по-

где S - площадь поперечного сечения поплавка; ρ п - плотность материала поплавка; g - ускорение свободного падения; Z - жесткость пружины.

Для положения, показанного на рис 3 б, условие равновесия имеет

4

где ρ - плотность жидкости.

Из выражения (3) следует, что перемещение поплавка пропорционально изменению уровня жидкости; коэффициент пропорциональности меньше единицы (равен единице при Z = 0) и зависит от жесткости пружины. С увеличением жесткости пружины относительное перемещение поплавка снижается.

Для дистанционного измерения уровня жидкости применяют буйковые уровнемеры с унифицированными выходными сигналами постоянного тока 0-5 и 0-20 мА (типа УБ-Э) или давления воздуха 0,002-0,1 МПа (тип УБ-П) [2, c. 214]. Для преобразования перемещения буйка в унифицированный электрический или пневматический сигналы используют преобразователи, аналогичные рассмотренным в книгах

[1, c. 104; 2, c. 70].

На рис. 4 показана схема поплавкового (буйкового) уровнемера с пневматической передачей показаний на расстояние. Уровнемер при-

5

соединяют к объекту с помощью фланцев. Поплавок 1 подвешен к рычагу 2, на конце которого находится уравновешивающий груз 3. Этим грузом уравновешивается начальная сила тяжести поплавка, когда

жидкости в резервуаре нет (Н = 0 и ρ вых = 0,1 МПа). Функции первичного преобразователя выполняют сопло 5 и заслонка 6. Сильфон 4 реа-

лизует обратную связь.

Для уровнемеров с пневматическим выходным сигналом применяют любые вторичные приборы, имеющие диапазон измерения

0,02-0,1 МПа.

Уровнемеры типа УБ-Э могут работать в комплекте с любыми миллиамперметрами. Недостатки поплавковых уровнемеров: большая металлоемкость, недостаточные надежность и точность из-за наличия кинематических узлов.

В гидростатических уровнемерах измерение уровня жидкости сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т.е. Р = Ηρ g. Существуют гидростатические уровнемеры с непрерывной продувкой воздуха или газа (пьезометрические уровнемеры) [1, c. 148] и с непосредственным измерением столба жидкости как с помощью дифференциальных манометров [1, c. 128; 3, c. 34], так и с помощью разработанных в последнее время преобразователей типа «Сапфир22ДГ» [4, c. 108].

Пьезометрические уровнемеры (рис. 5) применяют для измерения самых разнообразных, в том числе агрессивных и вязких, жидкостей в открытых резервуарах и в сосудах под давлением. Сжатый воздух или газ, пройдя дроссель 1 и ротаметр 2, попадает в пьезометрическую трубку 3, находящуюся в резервуаре. Давление воздуха (газа), измеряемое манометром 4, характеризует положение уровня жидкости в резервуаре. С начала подачи воздуха давление будет повышаться до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости высотой Н. В момент выравнивания этих давлений из трубки в жидкость начнет выходить воздух, расход которого регулируют так, чтобы он пробулькивал отдельными пузырьками (примерно один пузырек в секунду). Расход воздуха устанавливают регулируемым дросселем 1 и контролируют ротаметром 2.

6

При измерении уровня жидкостей следует учитывать возможность образования при определенных условиях статического электричества. В связи с этим при контроле легковоспламеняющихся и взрывоопасных жидкостей (сероуглерода, бензола, масел и др.) в качестве сжатого газа применяют двуокись углерода, азот, дымовые газы или устанавливают специальные пьезометрические уровнемеры.

Другим видом гидростатических уровнемеров является дифманометр любой системы, измеряющий давление столба жидкости в сосуде. Дифманометрами можно измерять уровень в открытых и закрытых сосудах, т. е. в сосудах, находящихся под давлением и разрежением. На рис. 6 a показана схема при измерении уровня в открытом резервуаре и установке дифманометра ниже дна резервуара.

При использовании дифманометров для измерения уровня обязательно устанавливают уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня жидкостью, находящейся в резервуаре. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение постоянного столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра меняется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значению уровня в резервуаре соответствует определенный пере-

7

пад давлений, что позволяет по величине перепада, показываемого дифманометром, судить об уровне жидкости в резервуаре.

На рис. 6 б показана схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением, при установке дифманометра ниже резервуара. В этом случае уравнительный сосуд устанавливают на высоте максимального уровня и соединяют с контролируемым резервуаром.

Врассмотренных выше схемах гидростатических уровнемеров для измерения давления или перепада давлений можно использовать бесшкальные измерительные преобразователи, имеющие на выходе унифицированные пневматические или электрические сигналы, что позволяет обеспечить дистанционный контроль и управление.

Вэтом плане весьма перспективны измерительные преобразователи унифицированной системы типа «Сапфир-22» и преобразователь гидростатического давления (уровня) «Сапфир-22ДГ» (рис. 7), в частности. Все преобразователи системы состоят из измерительного блока

иэлектронного устройства, а «Сапфир-22ДГ» отличается от других

кристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисто-

8

рами 6. Измеряемый параметр (в нашем случае столб жидкости) воздействует на мембрану 4 со знаком «+» и прогибает ее. При этом происходит перемещение связанных с мембраной штока 7 и тяги 8, а также деформация тензорезисторов.

Таким образом, в измерительном блоке измеряемый параметр линейно преобразуется в изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, а электронное устройство преобразователя преобразует его в унифицированный токовый выходной сигнал (0-5; 0-20 или 4-20 мА).

В электрических уровнемерах изменение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наиболее распространены емкостные и омические. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред, в омических — свойство контролируемой среды проводить электрический ток.

Преобразователь емкостного уровнемера является электрическим конденсатором, емкость которого зависит от уровня жидкости. Преобразователи емкостных уровнемеров выполняют цилиндрического и пластинчатого типов, а также в виде жесткого стержня. Широкое распространение на практике получили датчики-реле уровня емкостные типа ЭСУ-1М, ЭСУ-2М, называемые также сигнализаторами уровня. Они состоят из датчика (двух датчиков для ЭСУ-2М) и электронного блока, соединенных между собой коаксиальным кабелем длиной до 3 м. Датчики могут быть стержневыми и пластинчатыми, с изолированным и неизолированным электродом (рис. 8). Датчики устанавливаются на стенке или крышке резервуара.

Электронный блок устанавливается обычно в зоне обслуживания резервуара на расстоянии до 10 м и представляет собой электронное реле, содержащее генератор высокой частоты, собранный на лампе 6Н6П (рис. 9). Последние модификации ЭСУ выполнены на современной элементной базе. При любой конструкции ЭСУ имеют один или несколько выходов, используемых для дистанционного автоматического управления.

9

а) б) в)

Рис. 8. Датчики ЭСУ-1М: а - стержневой с изолированным электродом; б - стержневой без изолятора; в - пластинчатый

а) б)

Рис. 9. Сигнализатор уровня электронный ЭСУ-1М: а - внешний вид электронного блока; б - принципиальная электрическая схема

В анодную цепь лампы включено исполнительное реле МКУ-48. Генератор настраивается таким образом, что при некотором увеличе-