3.2.Гідростатичний принцип вимірювання густини та рівня речовин

Гідростатичні прилади займають важливе місце при вимірюванні густини та рівня агресивних розчинів та речовин, що швидко кристалізуються, і застосовується, в більшості, для вимірювання густини та рівня речовин під тиском, які знаходяться в ємностях. Принцип вимірювання густини або рівня рідини у цих приладах базується на вимірюванні тиску, який утворюється стовпом рідини. Загальне рівняння для тиску Р стовпа рідини, має вигляд:

Р = * g * Н [Па], (6)

де - густина рідини, кг/м;Н – висота стовпа рідини (рівень), м;

g – прискорення вільного падіння, м/с.

В залежності від того, який із двох параметрів підтримують постійним в приладі, розрізняють: густиноміри, в яких Н = const, та рівнеміри, в яких, відповідно, =const. За способом вимірювання тиску гідростатичні густиноміри та рівнеміри діляться на прилади із безпосереднім вимірюванням тиску стовпа рідини (гідростатичні) та прилади з безперервним продуванням повітря через стовп рідини (п'єзометричні).

3.2.1 Гідростатичні рівнеміри та густиноміри.

Схема гідростатичного рівнеміра приведена на рис.2,а. Манометр М, який вимірює гідростатичний тиск у відповідності із рівнянням (1) при = const, встановлюється у дна ємності.На рис. 2,б приведена умовна схема датчика сильфонного густиноміра з безпосереднім вимірюванням тиску типу ПЖС з діапазоном вимірювань 500 — 2500 кг/м, класом точності 1,5; 2,0; 2,5.

У середині проточного датчика 8, через який протікає (вхід знизу) контрольована за густиною рідина і в якому забезпечується постійний рівень цієї рідини, знаходяться вимірювальні сильфони 1 і 4, а також допоміжний сильфон температурної компенсації 7. Всі сильфони залиті еталонною рідиною, густина якої відповідає початковому значенню діапазона вимірювань. Еталонна рідина може перетікати із одного сильфона в інший по трубках 2. Сильфони жорстко закріплені на рамі 3. Вільні кінці сильфонів з’єднані коромислом 5, яке має опору 6 і за допомогою важелів 9 з’єднується з перетворювачем сигналів 10, наприклад, з осердям ДТП, пневмоперетворювачем, тощо. Із зміною густини тиск на сильфон 4 також змінюється, а тиск на сильфон 1 є практично незмінним. Коромисло 5 обертається навколо опори 6, приводячи в рух чутливий елемент перетво­рювача 10. Далі сигнал поступає на відповідний вторинний прилад.

а) б)

Рис.2. Гідростатичні: а) рівнемір та б) густиномір.

За зміни температури контрольованої рідини зміню­ється також об'єм і тиск еталонної рідини у вимірюваль­них сильфонах і ці зміни компенсуються

зміною об'єму рідини у допоміжному сильфоні.

3.2.2. П’єзометричні рівнеміри та густиноміри.

Різновидом гідростатичних приладів є п’єзометричні рівнеміри та густиноміри, дія грунтується теж на функціональній залежності (1), але між тиском Р в п’єзометричній трубці, яка занурена у контрольовану рідину на постійну глибину і через яку продувається (барботується) стиснене повітря або інертний газ, від рівня чи густини цієї рідини. Застосовуються прямі (рис.3,а) та диференціальні схеми (рис.3,б) вимірювань. Останні схеми завдяки більшій чутливості і точності вимірювань поширені більше.

У п’єзометричному рівнемірі або густиномірі (рис. 3,а) стиснене повітря крізь дросель (регулятор тиску) 1 та пристій (стакан) візуального контролю 2, що слугує для візуального контролю якості проходження стиснутого повітря через стовп рідини, подається у відкриту з одного кінця п'єзометричну трубку З, занурену у рідину майже до дна резервуару 5. Тиск повітря в п'єзометричній трубці зумовлюється протитиском стовпчика рідини і дорівнює йому. Тому тиск Р повітря, що вимірюється манометром 4, характеризує рівень рідини в резервуарі при незмінній густині, або густину рідини при постійному її рівні.

а)б)

Рис.3. Схеми п’єзометричних: а) рівнеміра та б) диференціального густиноміра

Для п’єзометричного рівнеміра, чим менше висота стовпа рідини (при постійній її густині), тобто, чим менший гідростатичний тиск у нижнього кінця п’єзометричної трубки, тим вільніше та швидше проходить витікання повітря із вимірювальної камери і, відповідно, знижується в ній тиск, який вимірюється манометром 4. Відповідно, для п’єзометричного густиноміра теж, чим менша густина рідини (при постійній висоті стовпа рідини), тим швидше проходить витікання повітря із вимірювальної камери і, відповідно, знижується в ній тиск, який вимірюється манометром 4.

П’єзометричні рівнеміри відносяться до пневматичних приладів і в якості джерела енергії використовується стиснене повітря (Р140 кПа), яке подається у п’єзометричну трубку, як правило, від компресора через фільтр, що забезпечує очищення повітря. Величина тиску повітря, яке безперервно продувається через п'єзометричну трубку, встановлюється дроселем (регулятором) 1 і контролюється манометром 4.

Регулятор 1 призначений: по-перше, для створення самої камери, під якою у пневматиці розуміють простір між отвором (соплом) регулятора 1, через

яке нагнітається повітря (його ще називають вхідним або основним отвором) та вихідним отвором п’єзометричної трубки, через який проходить витікання повітря; по-друге, для регулювання та підтримування стабільності подачі тиску повітря, що надходить у вимірювальну камеру. В п’єзометричних системах для продування через п’єзометричну трубку дозованої витрати повітря, найбільш часто використовують регулятори витрати повітря типу РРВ-1. Принцип дії цього регулятора грунтується на автоматичному підтримуванні постійного перепаду тиску на дроселі 1, в результаті чого забезпечується постійна витрата повітря через цей дросель.

У випадку, коли вимірюваний рівень рідини в резервуарі знаходиться під надлишковим тиском, то тиск повітря живлення Рна виході регулятора 1, що подає повітря у п’єзометричну трубку, повинен бути:

, (7)

где Р– надлишковий тиск, кПа; Н**g – максимальний гідростатч-ний тискстовпа рідини, кПа.

Необхідною умовою надійної роботи п’єзометричних рівнемірів є два мо-

менти: 1) встановлення такого тиску газу в у вимірювальній пневматичній камері, при якому бульбашки газу, що проходять через рідину та у стакані візуального спостереження, проходили би з розривом на всьому діапазоні вимірювань рівня; 2) п’єзотрубка не повинна доходити до дна резервуара на 80мм.

Витрати повітря встановлюються мінімально можливими для максимально можливого рівня рідини, з тим щоб перепад тиску на п’єзотрубці був якомога меншим, так як це визначає похибку вимірювання п’єзометричним методом.

Як правило, витрати повітря таких приладів складають 0,1 – 0,2 м³/год.

Подібні прилади використовуватися для вимірювання рівня агресивних та забруднених рідин, а також рідин, що швидко кристалізуються. Прилади забезпечують точність вимірювання в межах 1,5 – 2,5 % від діапазону вимірювання.

На рис.3.б приведена схема диференціального густиноміра.

Газ через редуктори 1 і стакани візуального спостереження 2 подається у

вимірювальну 7 та компенсувальну 5 трубки. Остання встановлена у компенсаційній посудині 4, що монтується у об'єкті вимірювань 8 (з метою температурної компенсації) із еталонною рідиною, що має густину (визначає початок діапазону вимірювань). Із компенсаційної посудини газ поступає у допоміжну трубку 6, занурену в контрольовану рідину на висоту h(визначає початок вимірювань). Глибина занурення вимірювальної трубки 7:

h= h+ h, (8)

де h— глибина занурення компенсаційної трубки в еталонну рідину.

Різниця тисків ∆р, що вимірюється у трубках з однаковою висотою занурення hза пропускання газу, вимірюється диференціальним, наприклад, рідинним манометром 3 і пропорційна різниці густиниі:

∆р = h*g*(-). (9)

В залежності від типу дифманометра, тобто, виду перетворення інформаційного сигналу, застосовуються ті чи інші вторинні прилади.

Клас точності таких приладів: не більше 1,0.