C δQ = (2 + 4∆tн/∆t + 0,01Gв/G), В δQ = (3 + 4∆tн/∆t + 0,02Gв/G), А δQ = (4 + 4∆tн/∆t + 0,05Gв/G),
где ∆t, G — действующие значения разности температур (tl - t2) и расхода;
∆t н, Gв — наименьшее значение разности температур по паспорту прибора и наибольшее значение расхода.
Так, для теплосчетчика класса С при ∆t н = 2 °С, ∆t = 5 °С, Gв/G = 10 предел погрешности составит ±3,61 %, а при ∆t = 20 °С, Gв/G = 2 он не должен превышать ± 2,42 %. Наиболее распространенные теплосчетчики имеют пределы относительной погрешности от ±3 до ±6 % в зависимости от измеряемой разности температур.
Вопросы для самопроверки
1.Охарактеризуйте область применения расходомеров переменного перепада давления, достоинства и недостатки этого метода измерения расхода.
2.Какие типы сужающих устройств вы знаете?
3.Какие величины определяют геометрическое и гидродинамическое подобие сужающих устройств при определении коэффициента истечения?
4.Каков характер зависимости СЕ от Re и Р?
5.Охарактеризуйте коэффициенты, уточняющие С и учитывающие реальные условия работы СУ?
Раздел 6. Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов
Более подробная информация по данному разделу содержится в [1],
с.218…256; [2], с.141…156.
В разделе рассматриваются 2 темы:
1.Измерение уровня жидкостей.
2.Измерение уровня сыпучих материалов.
По работе с теоретическим материалом следует ответить на вопросы, приведенные в конце данного раздела.
После теоретического материала раздела 6 следует выполнить тренировочный тест №6.
Изучение раздела заканчивается контрольным мероприятием: необходимо ответить на вопросы контрольного теста №6.
6.1. Измерение уровня жидкостей
Уровнемеры с визуальным отсчетом основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара (рис. 3.66). При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий проч-
90
ности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливаются несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.
Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур (особенно если жидкость в резервуаре имеет высокую температуру, а указательное стекло находится на значительном удалении). Различие плотностей приводит к различию уровней в резервуаре h1 и указательном стекле h2 (уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем); при этом абсолютная погрешность измерения может быть вычислена по формуле
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
h h1 h2 |
|
1 |
|
|
|
, |
(3.30) |
|
|
|
|||||||
|
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
где ρ1 и ρ2 — плотности жидкости в резервуаре и указательном стекле.
Погрешность может достигать существенных значений, поэтому в целях ее уменьшения необходима либо тепловая изоляция уровнемера, либо продувка его жидкостью из резервуара перед отсчетом.
Рис. 3.66. Схема уровнемера с визуальным отсчетом
В гидростатических этих уровнемерах измерение уровня жидкости постоянной плотности ρ сводится к измерению гидростатического давления р,
создаваемого жидкостью, причем |
|
p = Hρg. |
(3.31) |
Измерение высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в резервуарах, находящихся как под атмосферным, так и под отличающимся от него давлением. На рис. 3.67, а представлена
Рис. 3.67. Схемы гидростатических уравнемеров:
а – погруженного зонда; 1 – трубка; 2 – колпак; 3 – мягкая губка; б – дифманометра с открытой мембранной; 1 – мембрана; 2 - тензопреобразователь; 3 – полость статического давления
91
схема гидростатического зонда. Зонд представляет собой трубку 1, внутренняя полость которой сообщается с жидкостью. Таким образом, давление внутри трубки совпадает с давлением жидкости. В нижней части трубки 1 находится измерительная мембрана из нержавеющей стали. Ее деформация вызывает изменение сопротивления тензомоста. Измерительная мембрана, тензопреобразователь и электроника защищены от измеряемой среды колпаком 2. Вентиляционная трубка соединена с пространством под измерительной мембраной и атмосферой. Мягкая трубка 3 может иметь длину до 20 м, в ней размещены несущий тросик а, экранированные токовые выводы б, вентиляционная трубка в диаметром 1 мм. Зонд выдерживает перегрузку до 0,6 МПа, выходной сигнал составляет 4...20 мА, погрешность не превышает± 0,3 %.
Дифманометрические уровнемеры. Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис. 3.68. Обе импульсные трубки дифманометра 2 заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разность давлений р1 и р2, действующих на его чувствительный элемент, в соответствии с (3.31) можно записать выражения для этих давлений:
р1 = (H + h1)ρ1g; |
(3.32) |
р2= h2 ρ2g. |
(3.33) |
Рис. 3.68. Схема подключения дифманометра при измерении уровня в открытом резервуаре:
1 — уравнительныйсосуд; 2 —дифманометр
Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н
∆р = р1 - р2 = (Н + h1)ρ1g – h2ρ2g. |
(3.34) |
Если плотности ρ1 и ρ2 жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если h1 = h2, то
92
∆p = Hρg, |
(3.35) |
где ρ = ρ1 = ρ2. |
|
Из (3.34) и (3.35) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т.е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях также появится, если имеется разность плотностей ρ1 и ρ2 в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (3.35) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «–») будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н, Для чего на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд 1. Сосуд и импульсная трубка заливаются жидкостью до уровня 00, принятого за начальную отметку шкалы уровнемера.
Поплавковым уровнемером называется уровнемер, |
|
|
основанный на измерении положения поплавка, час- |
|
|
тично погруженного в жидкость, причем степень по- |
|
|
гружения поплавка (осадка) при неизменной плотно- |
|
|
сти жидкости не зависит от контролируемого уровня. |
|
|
Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем |
|
|
жидкости, и, следовательно, по его положению может |
|
|
быть определено значение уровня. В статическом ре- |
|
|
Рис. 3.69. Расчетная |
||
жиме на поплавок действуют: сила тяжести G, вытал- |
||
схема буйкового уровме- |
||
кивающие силы жидкости и газовой среды. |
мера |
|
Буйковым уровнемером называются уровнемер, осно- |
||
|
ванный на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) – буек, подвешенный вертикально внутри сосуда и частично погруженный в контролируемую жидкость (рис. 3.68). Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рис. 3.69 таким элементом является пружина). Увеличивая уровень жидкости на Н от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка буйка, т.е. х < h. При этом из меняется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h - х):
xc = (h – x)ρжgF – (h – x)ρгgF, |
(3.36) |
где с — жесткость подвески; ρж, ρг — плотность жидкости и газа; F— площадь поперечного сечения буйка.
Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйково-
го уровнемера: |
|
x = h/[1 + c(ρж – ρг) gF]. |
(3.37) |
93
Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.
Емкостным уровнемером называются уровнемер, основанный на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от ее уровня.
Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рис. 3.70, а.
Рис. 3.70. Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред: 1, 2 — электро-
ды; 3 — резервуар; 4 — изолятор
Электрическая схема преобразователя имеет вид изображений на рис. 3.70 б, где С1 – емкость части преобразователя, находящейся в жидкости, С2 – емкостьчастипреобразователя, находящейсявгазовом пространстве, Cи – емкость проходного изолятора, Rи – сопротивление, обусловлено проводимостью
материлаизоляторанаучасткеа. Суммарнаяемкостьпреобразователя:
Спр = С1 +С2+ Cи.
Таким образом, при постоянной диэлектрической проницаемости жидкости Спр однозначнозависитотизмеряемогоуровняh.
Простейшая схема индуктивного трансформаторного уровнемера представлена на рис. 3.71, а. Преобразователь состоит из обмотки возбуждения 1, по которой протекает переменный ток возбуждения Iв, и вторичной обмотки 2, с которой снимается выходной сигнал Uвых. Преобразователь помещен в металлический защитный чехол 3, который герметично закреплен в крышке резервуара. Это позволяет осуществлять замену уровнемера без нарушения герметичности контура.
Рис. 3.71. Схема индуктивного трансформаторного преобразователя уровня:
а - аналогового уровнемера; 1 - обмотка возбуждения; 2
— вторичная обмотка; 3 -металлический защитный
чехол; б - сигнализатора предельных значений уровня
94
Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня. В этом случае преобразователь состоит из двух отдельных коротких трансформаторов, разнесенных на расстояние, равное разности верхнего и нижнего уровней (рис. 3.71, б). Первичные обмотки трансформаторов включены последовательно и питаются от одного источника. Вторичные обмотки включены встречно, и разностный сигнал идет в схему сигнализации. Срабатывание схемы аварийной сигнализации происходит при нулевом значении выходного напряжения υвых, т.е. если ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов будут равными. Очевидно, что это будет в том случае, если оба трансформатора окажутся одновременно либо ниже уровня (т.е. когда уровень достигнет верхнего аварийного значения), либо выше уровня (когда уровень достигнет нижнего аварийного значения). При промежуточных значениях уровня υвых 0 и срабатывания схемы сигнализации не происходит.
Перечисленные факторы оказывают меньшее влияние на работу индуктивных уровнемеров дискретного действия. В таких уровнемерах фиксируется достижение определенных значений уровня, т.е. указатель переместится на соседнюю отметку только при изменении
Pиc. 3.72. Схема ин-
дуктивного преобразователя дискретных уровнемеров:
а — фрагмент уровнемера; б — схема уровнемера; 1— катушки индуктивности;
2 — металлический чехол; 3
— головка преобразователя
уровня на определенное значение — шаг дискретности. Преобразователь дискретного уровнемера представляет собой ряд коротких катушек индуктивности 1 (рис. 3.72, а), помещенных в виде столба внутри металлического чехла 2, отделяющего катушки от среды (рис. 3.72, б).
Радиоволновым уровнемером называются уровнемер, основанный на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости.
К радиоволновым методам относятся: радиолокационный, радиоинтерферационный, эндовибраторный и резонансный.
Работа радиолокационных уровнемеров основывается на явлении
Рис. 3.73. Схема радиолокационного уровнемера:
1— излучатель; 2 — приемник электромагнитной энергии; 3 — преобразователь измерения интервала времени
95
отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.
Схема уровнемера (рис. 3.73) состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энергии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени. Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник 2.
Эти величины связаны соотношением τ = 2(Н – h) /с.
По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.
В локационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.
Упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа представлена на рис. 3.74. Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t. соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2(Н – h)/c, где с — скорость ультразвука в газе.
Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0...5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.
Рис. 3.74. Схема акустического уровнемера:
1— излучатель; 2 — приемник электромагнитной энергии; 3 — преобразователь измерения интервала времени
Принцип действия термокондуктометрического уровнемера заключается в использовании различия теплоотдачи от
96