 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Гидростатические уровнемеры с дифманометром. 12
Балтийская Государственная Академия Рыбопромыслового флота
Судомеханический факультет Кафедра ХКТК
Лабораторная работа №3 По предмету «Приборы и техника измерений, математическое моделирование холодильных, криогенных систем и СКВ».
“Уровнемеры, сигнализаторы и регуляторы уровня однородных и кипящих жидкостей”
Выполнил курсант: Жаланковский Е.Н. Группа: Х-41 (1) Проверил преподаватель Ейдеюс А. И.
Калининград 2012 Лабораторная работа №3 Тема: Уровнемеры, сигнализаторы и регуляторы уровня однородных и кипящих жидкостей. Цель работы: Изучить устройство, принцип действия и статические характеристики следующих приборов контроля и регулирования уровня жидкостей. Теоретическая часть: 1. Уровнемеры для несжимаемой (однородной) жидкости: стеклянные трубки и мерные колонки со стеклами Клингера. Существует много способов измерения уровня. Одни из них применяются, когда жидкость находится при атмосферном давлении, а другие пригодны при любом ее давлении. Рассмотрим наиболее распространенные уровнемеры, останавливаясь попутно на сигнализаторах уровня. Мерные стекла выполняются в виде прозрачной вертикальной трубки, нижний конец которой сообщается с сосудом, находящимся при атмосферном давлении. Шкала с цифровыми делениями уровня располагается рядом с трубкой или непосредственно на ней путем нанесения рисок. На сосудах с избыточным давлением жидкости устанавливают мерные колонки с толстыми рифлеными стеклами Клингера. В верхней и нижней частях колонки располагаются шариковые клапаны, которые при повреждении стекла под действием разности давлений перекрывают поступление измеряемой среды в колонку. Нередко на мерной колонке вместо стекол Клингера устанавливают несколько смотровых глазков круглого сечения из толстого стекла. В ряде случаев за стеклом размещается индикатор, цвет которого неодинаков при контакте с жидким и парообразным хладагентом. Водоуказательный приборявляется простейшим уровнемером, состоящим из стеклянной трубки, которая подключена к верхней и нижней частям цистерны. Длина трубки определяется диапазоном изменения уровня, шкала наносится на пластинки, закрепленные к общему каркасу. Стеклянные трубки защищены от повреждений специальными ограждениями. Цилиндрические стекла диаметром 10—20 мм применяют при давлениях до 2,5 МПа, при больших давлениях используют плоские стекла. Погрешность измерения определяется точностью отсчета положения уровня (±1 мм). Гидростатические уровнемеры с дифманометром. Гидростатические уровнемеры основаны на измерении давления P столба жидкости, которое пропорционально высоте столба h, плотности жидкости р и ускорению свободного падения. Если жидкость находится в открытом сосуде, то можно использовать любой манометр подходящей чувствительности. Для измерения уровня жидкости в закрытых сосудах применяют дифференциальные манометры ДМ, рис.5.36 е. Если одна трубка заполнена жидкостью, а другая - газом или паром, то перепад давлений ΔP=hpg. При измерениях уровня воды в паровых котлах применяют уравнительный сосуд, в котором поддерживается постоянный уровень Н конденсата за счет слива излишков его в котел, рис.5.36 ж. Показания дифманометра при этом имеют обратный знак и определяются выражением: ΔP=(h-H)pg. Существует много дистанционных измерителей уровня воды с электрической или пневматической системой передачи деформаций упругого элемента дифманометра. Если жидкость кипит при температуре ниже, чем температура окружающей среды, то к дифманометру по обеим трубкам поступает пар. Для определенности трубка, подключенная к нижней части сосуда, выполняется в виде петли с вертикальным участком, имеющий хороший тепловой контакт с окружающей средой, рис.5.36 з. Находящийся в этом участке пар оказывается запертым между дифманометром и измеряемым столбом жидкости. Давление в этой трубке отличается от давления в паровой части сосуда на величину hpg. В свое время для измерения уровня кипящего аммиака на судах применялись работающие по описанному принципу гампсометры с ртутными стеклянными дифманометрами. Из-за ядовитости паров ртути и возможности разрушения, стеклянных дифманометров эксплуатация таких приборов прекращена.
Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости. К гидростатическим относятся также пневматические(пьезометрические, пневмеркаторские) измерители уровня жидкости в больших цистернах и танках. Принцип действия их основан на выталкивании жидкости из вертикальной трубы 1 сжатым воздухом или газом, рис.5.36 и. Дроссельный клапан 2 настраивается так, чтобы из трубы 1 выходили пузыри воздуха. При этом динамический напор отсутствует, а статический - определяется произведением hpg. В точке разветвления 3 давление распространяется равномерно по всем направлениям. Поэтому манометр М можно проградуировать в единицах уровня, если плотность жидкости примерно постоянная.
Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости. 3. Поплавковые уровнемеры с преобразованием сигнала в индуктивное сопротивление, контактное сопротивление, омическое сопротивление и в переключение герметичных контактов (герконов). Электрические уровнемеры содержат емкостный или омический преобразователь. Основу емкостного преобразователя составляет электрический конденсатор. Одной обкладкой его обычно служит металлический стержень 1, а другой - трубка 2 с открытым концом, рис.5.36 к. Нередко роль второй обкладки выполняет металлический корпус сосуда. Обкладки электрически изолированы друг от друга. При вертикальном расположении стержня электрическая емкость C конденсатора изменяется в зависимости от уровня жидкости. Горизонтальное расположение стержня обеспечивает резкое изменение емкости конденсатора и применяется в сигнализаторах уровня. Измерение емкости конденсатора производится с помощью мостовой или резонансной схемы. В мостовой схеме контролируемая емкость является одним из плеч моста. Зависящее от уровня жидкости изменение емкости вызывает разбаланс моста. После усиления сигнал разбаланса подается к электроизмерительному прибору, шкала которого градуируется в единицах уровня жидкости.
Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости. Резонансная схема предполагает параллельное включение контролируемой емкости и катушки индуктивности для образования резонансного контура. Он настраивается на резонанс питающей частоты при определенной емкости преобразователя, соответствующей заданному уровню жидкости. Изменение уровня приводит к изменению собственной частоты контура и срыву резонанса. Такая схема используется обычно в емкостных сигнализаторах уровня. Омический (кондуктометрический) уровнемер содержит проволочный резистор 1, помещаемый в сосуд 2 с электропроводной жидкостью, рис.5.36 л. С повышением уровня жидкости сопротивление R уменьшается. Для измерения его можно применить мостовые схемы или логометр. Размещение в сосуде двух контактов, которые замыкают электрическую цепь при определенном уровне жидкости, позволяет получить сигнализатор уровня. Тепловой(термический) уровнемер основан на разной интенсивности теплоотдачи от нагревателя к жидкости и газу (пару). Обычно коэффициент теплоотдачи к жидкости на порядок выше, чем к газу. Нагреватель выполняется в виде спирального резистора RТ, имеющего электрическую изоляцию и помещенного в герметичную вертикальную трубку, рис.5.36 м. Аналогичную конструкцию имеет компенсационный резистор Rk, располагаемый горизонтально в нижней части сосуда. Оба резистора отличаются большим температурным коэффициентом сопротивления. Они включены в мостовую измерительную схему с постоянными резисторами R1 и R2. За счет протекания тока от внешнего источника резисторы R1 и R2 нагреваются до высокой температуры. С изменением уровня жидкости изменяется количество теплоты, отводимой от резистора RТ, что сопровождается изменением его температуры и электрического сопротивления. Вследствие этого нарушается равновесие моста, вызывающее перемещение стрелки электроизмерительного прибора. Влияние температуры жидкости на показания прибора компенсируется включением резистора RK в противоположное плечо моста. 4. Емкостные уровнемеры. Емкостные уровнемерыоснованы на использовании емкостных преобразователей с переменным диэлектриком. На рис. 7.5 показан датчик уровнемера, выполненный в виде цилиндрического конденсатора, электродами которого являются труба 1 и стержень 2. Датчик помещен в измеряемую среду с уровнем h2. Емкость датчика может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован электродами длиной h2 (рис. 7.5) с диэлектриком жидкостью; другой — электродами длиной h1 — h2 с диэлектриком воздухом. Используя преобразования, можно показать, что емкость цилиндрического датчика изменяется пропорционально уровню жидкости h2: ΔС = Аh2
r1 и r2 — радиусы стержня и трубы; ε2 — относительная диэлектрическая проницаемость жидкости. Диэлектрические свойства жидкости изменяются в зависимости от ее температуры и состава. Это является источником дополнительной погрешности.
Емкостные уровнемеры можно применять также для измерения уровня электропроводных жидкостей, например морскойводы. В этом случае один из электродов покрывается тонким слоем изоляционного материала. Емкостный датчик можно использовать для измерения уровня в цистернах любой конфигурации. 5. Акустические, ультразвуковые и радиоизотопные уровнемеры. Акустические и ультразвуковые уровня основаны на отражении ультразвуковых волн от поверхности раздела сред. Принципиальная схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 7.7. В нижней части цистерны размещены излучатель 6 и приемник 7 ультразвуковых колебаний. Излучатель через определенные промежутки времени посылает импульсы ультразвуковых колебаний, которые распространяются со скоростью с. Достигнув поверхности раздела сред высотой h, часть энергии ультразвуковых колебаний отражается и с той же скоростью распространяется к приемнику 7. Время от момента излучения до попадания на приемник равно:
где с—скорость распространения ультразвуковые колебаний в измеряемой среде; к — поправочный коэффициент. Таким образом, промежуток, времени, между излучением и приемом при постоянной скорости распространения колебаний однозначно характеризует уровень жидкости. Излучателем и приемником ультразвуковых колебаний служат пьезоэлектрические преобразователи (кристаллы кварца, сегнетовой соли). Генератор 1 вырабатывает высокочастотные электрические колебания, которые подаются на пьезоэлектрический излучатель 6. Отразившись от поверхности раздела, колебания поступают на приемник 7, где происходит обратное преобразование механических колебаний в электрические. Электрический сигнал усиливается в усилителе 3 до значений, достаточных для измерения в измерителе времени 4. Синхронизирующее устройство 2 обеспечивает одновременный пуск измерителя времени, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный промежутку времени т. Этот сигнал подается в показывающий прибор 5, шкала которого отградуирована в единицах измерения уровня.
При качке, кренах и дифферентах поверхность раздела меняет свою ориентацию относительно излучателя и приемника. Это изменяет путь прохождения сигнала, и даже возможны случаи, когда отраженные ультразвуковые колебания не попадут на приемник. Для исключения этого явления ультразвуковые импульсы направляются по звуководной трубе. В звуководной трубе обеспечивается отражение и попадание импульсов на приемник. Пьезоэлектрические элементы обладают обратимостью. Поэтому одну и ту же пластину пьезоэлектрического элемента можно использовать как в качестве излучающей, так и в качестве приемной. К недостаткам ультразвуковых уровнемеров следует отнести влияние температуры на скорость распространения ультразвуковых колебаний в измеряемой среде. Это требует введения температурной поправки. Уровнемерам свойственно также наличие «мертвых зон», т. е. начального неизмеряемого уровня. Высота мертвой зоны, в частности, определяется минимальным промежутком времени, которое можно измерить вторичными приборами. Радиоизотопныеуровнемеры содержат источник и приемник у - излучения. В качестве излучателей обычно используются изотопы кобальта или цезия. Взаимное расположение источника И и приемника П излучения может быть различным, рис.5.36 о. При горизонтальном их расположении получается сигнализатор, фиксирующий резкое ослабление принимаемого излучения после достижения определенного уровня жидкости. Расположение источника и приемника в вертикальной плоскости позволяет проградуировать счетчик γ - излучения в единицах уровня жидкости. Применение радиоизотопных приборов сопряжено с необходимостью защиты людей и окружающей среды от радиации.
Рис.5.36. Схемы указателей и сигнализаторов уровня жидкости. 12 |
