6. Вимірювання рівня

6.1. Поплавкові і гідростатичні рівнеміри

Вимірювання рівня при наповненні рідиною резервуарів та баків займає значне місце в різних галузях промисловості, науки та техніки.

Основними групами рівнемірів є: візуальні (за допомогою водомірного скла); гідростатичні (в яких рівень визначають за тиском рідини на дно резервуара з наступним вимірюванням дифманометром різниці даного і атмосферного тисків); електромеханічні та механічні, зокрема поплавкові та буйкові; електричні, в яких рівень перетворюється в зміну електричного опору (кондуктометричні) або зміну ємності (ємнісні).

Різновиди рівнемірів.

- Водомірне скло

Дія водомірного скла для рідин грунтується на принципі сполучених посудин.

Водомірне скло 1 (рис. 6.1, а) з допомогою арматури з’єднано з нижньою і верхнею частинами посудини.

Рис. 6.1. Схема встановлення водомірного скла на технологічних апаратах

Спостерігаючи за положенням меніска рідини в трубі 1, судять про рівень рідини в посудині. Для виключення додаткової похибки через різницю температур рідини в резервуарі і скляній трубці, перед вимірюванням роблять промивку водомірної трубки за допомогою вентиля 2.

В результаті не значної механічної міцності, водомірне скло застосовують довжиною не більше 0,5 м. Тому для вимірювання рівня у великих резервуарах (рис. 6.1 б) встановлюють кілька водомірних стекол з таким розрахунком, щоб вони перекривали одне одного.

Водомірне скло застосовується до тиску 2,94 МПа і температури 300 .

Абсолютна похибка при вимірюваннях становить мм.

- Поплавкові рівнеміри

В поплавкових рівнемірах, переміщення поплавка (чутливий елемент), густина якого менша за густину рідини, передається на показуючий пристрій (рис. 6.2) або перетворювач, наприклад, реостатний (рис. 6.3) для перетворення переміщення у вихідний електричний сигнал.

Рис. 6.2. Схема найпростішого поплавкового рівнеміра

Поплавок 1 (рис.6.2) підвішено на гнучкому тросі, який перекинуто через ролик 2. На протилежному кінці тросу закріплено вантаж 3 та показчик (стрілку), що показує на шкалі 4 рівень рідини.

Принципову схему поплавкового рівнеміра з реостатним перетворювачем та логометричним вимірювальним приладом, як зазначалось, наведено на рис. 6.3.

На даній схемі, поплавок розміщено в баку з досліджуваним рівнем. Він механічно зв’язаний з повзунком реостатного перетворювача . Резистори і служать для узгодження параметрів перетворювача та логометра для забезпечення заданого діапазону вимірювань.

Рис. 6.3. Схема поплавкового рівнеміра з реостатним перетворювачем

- вимірюваний рівень; - зміна опору реостатного перетворювача, повний опір котушки якого становить ; і - струми, що протікають у колах першої і другої рамки логометра; - опір з’єднувальних провідників; і - резистори для узгодження параметрів реостатного перетворювача та логометра; і - опори рамок логометра; - напруга джерела живлення постійного струму

При зміні рівня , а отже відповідного положення поплавка, повзунок реостатного перетворювача, змінюючи співвідношення опорів у колах рамок логометра, змінює в них співвідношення струмів та , а тим самим і відхилення стрілки на кут ( ), яка показує вимірюваний рівень.

- Поплавкові рівнеміри з сельсинною і реостатною парами

Систему дистанційного вимірювання рівня води в резервуарі показано на рис. 6.4.

Зміна рівня води спричиняє до обертання ротора сельсина-давача 4. Ротор сельсина-приймача 5, який віддалений від резервуара, повертається на той же кут , що і ротор сельсина-давача 4 ( ), де - вимірюваний рівень, що переміщує показчик 7. Наведене дозволяє прочитати на шкалі шукане значення рівня води в резервуарі.

Рис. 6.4. Поплавковий рівнемір з сельсинною парою:

1 – поплавок; 2 – дротяний тросик; 3 – противага; 4 і 5 – відповідно сельсин-давач і сельсин-приймач; 6 – зубчастий редуктор; 7 – показчик

Схему дистанційного вимірювання рівня води на основі поплавкового рівнеміра з реостатною парою показано на рис.6.5.

В системі, наведеній на рис.6.5 переміщення поплавка ( ) передається на пульт оператора наступним чином.

Внаслідок зміни рівня рідини, потенціали точок і ( і ) відрізняються (у вихідному положенні ).

Різницева постійна напруги перетворюється на змінну з допомогою перетворювача 2, підсилюється підсилювачем 3 й вмикає серводвигун РД. Останній переміщує повзунок таким чином, щоб потенціал точки ( ) відповідав новому значенню потенціала точки ( ). Іншими словами, щоб .

Рис. 6.5. Поплавковий рівнемір з реостатною парою:

1 – поплавок; 2 – перетворювач постійної напруги на змінну; 3 – підсилювач; РД – реверсивний сервоелектродвигун; 4 – показчик

Стале положення в цьому випадку ротора серводвигуна (і стрілки показчика) дозволяє прочитати на шкалі величину рівня рідини.

- Поплавкові рівнеміри з пневматичною передачею показів

Рівнемір такого типу наведено на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Поплавковий рівнемір з пневматичною передачею показів на відстань

На даній схемі поплавок 1 підвішено до важеля 2, на кінці якого знаходиться зрівноважуючий вантаж 3.

Функцію перетворювача виконує система «сопло-заслінка» 5 і 6. Сильфон 4 реалізує зворотній зв’язок.

При збільшенні рівня рідини, поплавок 1 переміститься вгору, сопло 5 більше перекриється заслінкою 6, в результаті чого тиск збільшиться. При зменшенні рівня збільшиться відстань між соплом і заслінкою, в результаті чого зменшиться. Отже функціонально залежить від рівня ( ).

Для рівнемірів з пневматичним вихідним сигналом застосовують вторинні прилади (манометри) які мають діапазон вимірювання 0,02–0,1 МПа.

- Буйкові рівнеміри і сигналізатори рівня

Їх робота грунтується на використанні виштовхувальної сили, що діє на занурене у рідину циліндричне тіло (буйок). Довжина його значно більша від його діаметра (рис. 6.7), а питома густина більша від питомої густини досліджуваної рідини.

Рис. 6.7. Структура буйкового перетворювача рівня рідини

Буйок 1 механічно з'єднаний з чутливим елементом 2 вторинного перетворювача, а його переміщення обмежується за допомогою пружини 3, закріпленої одним кінцем до верхньої частини буйка, а іншим до нерухомої частини корпуса. Такий буйок, що вільно підвішений на пружині, є масштабуючим перетворювачем достатньо великих змін рівня (до 10–20 м) у порівняно невеликі переміщення буйка та чутливого елемента вторинного перетворювача. Залежно від рівня рідини, на буйок діятиме підйомна сила, внаслідок чого пружина стискатиметься, а чутливий елемент – плунжер індуктивного перетворювача, переміщувати-меться, змінюючи вихідну індуктивність (повний електричний опір) або вихідну ЕРС.

Вторинним вимірювальним приладом рівнемірів з буйковим перетворювачем (рис.6.8) можуть бути прилади типу КПД чи КСД (з компенсаційним вимірювальним колом з диференціально-трансформаторними перетворювачами).

Рис. 6.8. Схема буйкового рівнеміра з диференціально-трансформаторним перетворювачем: - вимірюваний рівень; - різниця електрорушійних сил вторинних обмоток обох диференційно-трансформаторних перетворювачів; ; ЕП – електронний підсилювач; РД – реверсивний двигун

Останнім часом широко застосовуються буйкові та поплавкові рівнеміри з силовою компенсацією, а також статичного зрівноважувального перетворення. Вихідною величиною в данних вимірювачах є струм. Буйкові рівнеміри такого типу з уніфікованим вихідним сигналом 0–5 мА та 0–20 мА призначаються для вимірювань рівня рідин в технічних місткостях з рівнем заповнення до 10– 16 м. Їхня зведена похибка наближається до 1,5 %.

Одну з найпростіших систем автоматичної сигналізації рівня води в резервуарі показано на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Схема автоматичної сигналізації рівня води в резервуарі з буйковим перетворювачем: 1 – буйковий перетворювач; 2 – важіль; 3 – пружина; та - контактні перетворювачі; та - сигнальні лампи

На даній схемі відхилення рівня рідини від норми примушує засвічуватись відповідну сигнальну лампу. В разі зменшення рівня – світиться лампа , а у разі збільшення рівня – відповідно лампа .

- Гідростатичні рівнеміри

В цих приладах вимірювання рівня рідини постійної густини зводиться до вимірювання тиску , який створює стовп цієї рідини

, (6.1)

де - прискорення сили земного тяжіння.

З (6.1)

. (6.2)

Існують гідростатичні рівнеміри з неперервним продуванням повітря або газу (п’єзометричні рівнеміри) з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини.

Схему п’єзометричного рівнеміра представлено на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Схема п’єзометричного рівнеміра

На даній схемі стиснене повітря, пройшовши через дросель 1 і ротаметр 2 надходить в п’єзометричну трубку 3, яка знаходиться в резервуарі.

У випадку, коли тиск повітря, який вимірюється манометром 4 дорівнюватиме тиску вимірюваного стовпа рідини, з трубки в рідину почнуть надходити бульбашки повітря. Це є сигналом того, що необхідно взяти відлік по шкалі манометра. Величина цього тиску підставляється у вираз (6.2), на основі чого і визначається рівень .

На рис.6.11 наведено схеми гідростатичних рівнемірів з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини

Рис. 6.11. Схеми гідростатичних рівнемірів з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини:

а) у відкритому резервуарі; б) у резервуарі, що знаходиться під тиском

На рис.6.11 а представлено схему вимірювання рівня у відкри-тому резервуарі і встановленні дифманометра нижче дна резервуара. В цьому випадку, для вимірювання рівня обов’язково застосовують зрівнюючу посудину, яка наповнюється до відповідного (відомого) рівня рідиною, що знаходиться в резервуарі. Призначенням цієї зрівнюючої посудини є забезпечення постійного стовпа рідини в одному з колін дифманометра. Висота стовпа рідини в другому коліні дифманометра змінюється із зміною рівня в резервуарі. Кожному значенню рівня в резервуарі відповідає своє значення перепаду тиску.

Зазначене дозволяє по величині вимірюваного перепаду тиску судити про рівень рідини в резервуарі.

На рис.6.11 б показано схему вимірювання рівня рідини в резервуарі, що знаходиться під тиском при встановленні дифманометра нижче дна резервуара. В цьому випадку зрівноважуюча посудина встановлюється на висоті максимального рівня і з’єднується з контрольованим резервуаром.

Запитання для самоконтролю

1. Основні групи рівнемірів.

2. Поплавковий рівнемір з реостатним перетворювачем.

3. Поплавковий рівнемір з сельсинною парою.

4. Поплавковий рівнемір з реостатною парою.

5. Поплавковий рівнемір з пневматичною передачею показів на відстань.

6. Структура буйкового перетворювача рівня рідин.

7. Схема буйкового рівнеміра з диференціально-трансформаторним перетворювачем.

8. Схема автоматичної сигналізації рівня води в резервуарі з буйковим перетворювачем.

9. Схема п’єзометричного рівнеміра.

10. Гідростатичні рівнеміри з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини.