Гидростатические средства измерений уровня

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к из­мерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности р, согласно равенству

P=ρ gh (4)

Измерение гидростатического давления осуществляется:

1) манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

2) дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;

3) измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние.

На рисунке 1.23(а) приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (4).

Рисунок 1.23 - Схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами

Измерение гидростатического давления маномет­ром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на рис. 1.23(б). Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему. В нижней части манометрической системы расположен коло­кол 2, отверстие которого перекрыто тонкой эластичной мембраной 1, а в верхней - манометр 3. Применение эластичной мембра­ны исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение уровня из-за упругости мембраны. Пре­имуществом данной схемы измерения гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположе­ния относительно уровня жидкости в резервуаре.

При измерении уровня по рассмотренным схемам имеют место погрешности измерения, определяемые классом точности маномет­ров и изменениями плотности жидкости. Измерение гидростатического давления манометрами целесооб­разно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гид­ростатического и избыточного давлений.

Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое применение получили диф­ференциальные манометры. С помощью дифференциальных мано­метров возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей.

Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением, осуществляется по схеме, представленной на рисунке 1.23(в). Дифманометр 1 через импульсные трубки 2 соединен с резервуаром и уравнительным сосудом 3. Уравнительный сосуд применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h₁ в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде должен быть посто­янным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде 3. При равенстве плотностей жидкостей, заполняющих импульсные трубки и резервуар, и при условии h1=h2 перепад давления, измеряемый дифманометром,

Δ Р=ρ _жgh

При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рисунке 1.23(г). Уравнительный сосуд 3 в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня, и соединяют с аппаратом. Ста­тическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные труб­ки, поэтому измеряемый перепад давления Δ Р можно представить в виде

Δ Р=ρ *_жgh_max – ρ _жgh (5)

При h = 0 Δ Р = Δ Р_mах, а при h = h_mах Δ Р = 0.

Как следует из уравнения (5), шкала измерительного прибо­ра уровнемера будет обращенной. В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом.

Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подклю­чение дифманометра к резервуару осуществляется через раздели­тельные сосуды.

Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рисунке 1.23(д).

Пьезометрическая трубка 1 размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ поступает в трубку через дроссель 2, служащий для ограничения расхода. Для измерения расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу пузырьков, побулькивающих через заполняющую его жидкость в еденицу времени), а давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4 давление газа после дросселя измеряются дифманометром 5 и служит мерой уровня.

При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно один пузырек в секунду).

При большом расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько большим, чем гидростатическое, из – за дополнительного падения давления, возникающего за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа увеличивается инерционность измерения. Оба фактора приводят к увеличению погрешности измерения уровня.

В пьезометрических уровнемерах для стабилизации расхода газа применяют стабилизатор расхода воздуха рисунок 1.24.

Рисунок 1.24 - Схема мембранного стабилизатора расхода воздуха

Действия стабилизатора основано на автоматическом регулировании постоянного перепада давления на дросселе 1. который обуславливает постоянство расхода через него. Для регулирования этого перепада используется статический мембранный регулятор, который состоит из корпуса 6 и крышки 3, между которыми установлена резинотканевая мембрана 5 с жестким центром 4, последний опирается на толкатель 10, а сверху на него воздействует пружина 2, шарик 9, на который воздействует пружина 8, образует вместе с отверстием 7 в корпусе управляемый клапан. Ротаметр 11 служит для измерения расхода газа, подаваемого к пьезометрической трубке. Дроссель 1 выполнен переменным, что позволяет задавать регулируемое значение расхода.

Точность измерений уровня пьезометрическими уровнемерами может быть существенно увеличена, если в качестве средства измерений гидростатического давления использовать автоматический цифровой манометр дискретно – непрерывного действия. Манометр рисунок 1.25 состоит из деформационного чувствительного элемента – мембраны 9, центр которой жестко связан с подвижным электродом 11 дифференцального емкостного преобразователя малых перемещений. Неподвижные 10, 12 и подвижный 11 электроды дифференциального емкостного преобразователя малых перемещений включены в схему LC – моста индикатора перемещений.

Рисунок 1.25 - Схема цифрового манометра дискретно – непрерывного действия

К подвижному электроду прикреплена грузовая тарелка 1, над которой расположен подъемно – навешивающий механизм, состоящий из набора грузов 3, перемещаемых с помощью втулок 2, закрепленных на подъемной штанге 6, подъемная штанга способна перемещаться вверх или вниз благодаря передаточному механизму 8, связывающему шток с валом 7, приводимым во вращение электродвигателем 5. Над дифференциальным емкостным преобразователем малых перемещений расположен рейтерный механизм с рычагом 15, выполненным в виде микрометрического винта с подвижным грузом 14. перемещение груза 14 осуществляется при вращении микрометрического винта электродвигателем 17. Измерение давления З осуществляется по сигналу «Измерение». В соответствии с этим сигналом клапан 23 соединяет подмембранную полость с объектом измерения. Под действием давления Р мембрана 9 деформируется и электрод 11 отключается от нейтрали. В результате нарушается равновесие LC – моста, напряжение разбаланса которого после усиления воздействует на фазочувствительный каскад и перевод поляризование реле индикатора перемещений 25 в одно из крайних положений, соответствующее направлению перемещения электрода. Этот сигнал через двухпозиционный ключ 19 воздействует на блок 20, который включает двигатель 5 так, что он начинает вращаться в направлении, при котором грузы 3 со штанги 6 опускаются на грузоприемную тарелку 1, опускание грузов происходит до тех пор, пока на выходе индикатора 25 не появится сигнал, вызывающий реверс двигателя. При реверсе грузы снимаются с грузоприемной тарелки 1, как только последний перекомпенсирующий груз снимается с грузоприемной тарелки, на выходе индикатора 25 появляются сигнал отклонения электрода 11 вверх и блок 20 останавливает электродвигатель. В процессе компенсации грузами 3 усилия, развиваемого мембраной 9, частота вращения вала 7 преобразуется преобразователем 4 в электрические импульсы, подаваемые через ключ 22 на счетчик 21 (старший разряд). Одновременно с остановкой двигателя 5 блок 20 подает сигнал на второй вход ключа 19, при этом выход индикатора 25 подключается к блоку 18 непрерывной компенсации. Последний включает электродвигатель 17, приводящий во вращение микрометрический винт 15, по которому начинает перемещаться груз 14. Перемещение груза происходит в сторону увеличения компенсирующего усилия.

Частота вращения винта 15 преобразуется в электрические импульсы, которые через ключ 24 поступают на счетчик 21 (младший разряд). Вращение винта происходит до тех пор, пока мембрана, а вместе с ней и электрод не придут в нейтральное положение. При этом двигатель останавливается. О значении измеряемого давления судят по числу импульсов, отсчитанных счетчиком. После снятия сигнала «Измерение» показания счетчика сбрасываются на «нуль» и клапан 23 отключается, соединяя внутреннюю полость чувствительного элемента с атмосферой.

Пределы измерений цифрового манометра 0 – 10⁵ Па, приведенная погрешность плюс минус 0, 05 процента.