Измерение уровня

Измерить уровень – это значит определить количество вещества, заключенного в данном объеме. Единицы измерения в СИ – [м].

Различают следующие уровнемеры:

– указательные стекла; поплавковые; гидростатические; электрические;

– ультрозвуковые и акустические; радиоизотопные.

Указательные стекла. Принцип измерения основан на свойстве жидкости находится на одном уровне в сообщающихся сосудах.

Поплавковые. Различают поплавковые и буйковые.

У первых – силе Архимеда противодействует сила тяжести поплавка (рис. 2.17). Сила тяжести постоянна и поэтому об уровне жидкости судят по перемещению поплавка, помещенного в эту жидкость. У вторых – силе Архимеда противодействует сила упругости пружины (рис. 2.18).

Изменение уровня жидкости приводит к изменению силы упругости и следовательно перемещению поплавка.

H = x[1+c/(Srg)]

где х – перемещение буйка;

S – площадь поперечного сечения буйка;

r – плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения;

с – жесткость пружины.

Гидростатические.

Различают пьезометрические (рис. 2.19) и дифференциальные. У первых о величине уровня судят по давлению столба жидкости. У вторых – по изменению перепада давлений в верхней и нижней отметке.

Через трубку пропускают сжатый воздух, создавая давление необходимое для появления пузырьков газов. Давление, измеряемое при этом прибором пропорционально давлению столба жидкости на этой глубине, т.е. P = Hrg

Во втором случае дополнительно используют уравнительный сосуд для обеспечения постоянства давлений в одном из колен дифманометра путем установления постоянного столба жидкости. Изменению уровня соответствует определенный перепад давлений, что позволяет судить о высоте столба жидкости, т.е. DP = Hrg

Электрические.

Изменение уровня преобразуется в какой–либо электрический сигнал. Различают емкостные и омические.

Принцип действия емкостного датчика (рис. 2.20) основан на изменении его электрической емкости в результате изменения его геометрических форм или диэлектрической проницаемости среды от уровня в резервуаре.

В первом случае устройство представляет собой сложный конденсатор из состоящий из двух плоских конденсаторов с диэлектрической проницаемостью среды и жидкости (электроды из изоляционного материала).

Емкость конденсатора

где b – ширина электродов; d – расстояние между электродами;

h = h ₁ – h ₂;

ε _ср, ε _ж, – диэлектрическая проницаемость среды и жидкости.

Возможен случай когда измерительный прибор служит для сигнализации уровня. Конденсатор в данном случае образован электродом, покрытым изоляционным материалом и стенкой резервуара, а его электроемкость воздушной средой между ними, которая характеризуется ее диэлектрической проницаемостью. При достижении жидкостью в резервуаре электрода меняется среда, образующая емкость конденсатора, а следовательно диэлектрическая проницаемость, что приводит к изменению сигнала в электронном блоке и сигнализации.

Принцип действия омического уровнемера (рис. 2.21) основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду. Применяют главным образом для сигнализации пределов уровня электропроводных жидкостей (кислоты, щелочи).

В момент прикосновения цепь замыкается, что воспринимается электрическим прибором.

Ультрозвуковые и акустические.

Позволяют измерить уровень при отсутствии контакта с контролируемой средой. Используется свойство отражения ультрозвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. В ультрозвуковых отражение колебаний со стороны жидкости, в акустических – со стороны газовой среды.

Импульсы посланный и отраженный разделенные по времени по ступают на усилитель. Уровень в резервуаре определяют по времени запаздывания отраженного сигнала относительно посланного

,

где h – уровень жидкости; а_ж – скорость распространения звука в жидкости.

Для акустического уровнемера время распространения ультразвуковых колебаний:

,

где а_г – скорость распространения звука в газовой среде; Н – высота резервуара.

Радиоизотопные

Основаны на сравнении интенсивности потоков g–лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности (рис. 2.23). Делятся на две группы: со следящей системой, для непрерывного измерения уровня и сигнализаторы отклонения уровня от заданного значения.

Уровнемеры для сыпучих сред.

Весовой метод.

Применяют либо тензометрические датчики и по сопротивлению проводника, зависящему от давления, которое зависит от массы вещества, являющейся в свою очередь функцией от уровня в резервуаре (рис. 2.24).

Либо динамометрический – по давлению, передаваемому на опору бункера судят о его заполнении

Р=f(G).

Поплавковый метод. (См. измерение уровня жидкости.)

Отличительной чертой является поплавок специальной округлой обтекающей, чтобы он оставался на поверхности сыпучего материала.

Емкостной метод. (См. измерение уровня жидкости.)

Применяются также сигнализаторы, воспринимающие давление контролируемого вещества: маятниковый, мембранный.