Средства измерения и сигнализации уровня жидкости.

Средства измерения уровня жидкой среды называют уровнемерами. Они нашли широкое применение для измерения количества топлива в баках транспортных средств – летательных аппаратов, автомобилей, кораблей (они называются топливомерами); для измерения уровня топлива в топливохранилищах, уровня жидкости в котельных агрегатах, водонапорных системах и т.п.

Существуют следующие методы измерения уровня жидкости:

· поплавковый

· манометрический

· емкостной

· ультраакустический

· радиационный

· радиочастотный

Поплавковый метод.Простейшими уровнемерами, применяемыми для контроля уровня жидкости, находящейся в резервуаре под атмосферным давлением, являются поплавковые уровнемеры.

 

 

 

На рис.2.161,а представлена конструкция механического уровнемера с поплавком 1, плавающим на поверхности жидкости 4. Положение поплавка и, следовательно, связанного с ним уравновешивающего груза 2 относительно шкалы 3 определяет уровень жидкости.

Чаще применяются тонущие поплавки-буйки, частично погруженные в жидкость (рис.2.161,б). Буек 6 подвешен на рычаге 2 и пружине 1. При изменении уровня жидкости изменяется степень погружения буйка и, следовательно, растягивающее усилие пружины 1 под действием массы буйка. Благодаря этому каждому уровню соответствует определенное положение буйка. Перемещение буйка через рычаг 2 передается на ось 5, на которой установлена стрелка 4, показывающая по шкале 3 уровень жидкости. Положение буйка или поплавка, преобразуемое в линейное или угловое перемещение, может быть передано на показывающий прибор или преобразовано в электрический сигнал для дистанционной передачи.

На рис.2.161,в приведена схема поплавкового электрического уровнемера. В ней определяется уровень жидкости Х с помощью поплавка и потенциометра преобразователя R_x, измерительного моста R₁…R₄ фиксируется на магнитоэлектрическом логометре, сопротивление которого R_k1 и R_k2. Преобразователь уровнемера включается в мостовую схему таким образом, что одновременно изменяются два соседних плеча моста. В такой схеме достигается температурная компенсация.

При использовании манометрического метода измерения уровня определяется давление столба жидкости в резервуаре. Для измерения уровня жидкости в барабанах парогенераторов, котлов-утилизаторов и системах испарительного охлаждения широко применяют мембранные дифманометры, отградуированные в единицах уровня.

На рис. 2.162 показана схема манометрического уровнемера с применением электрической схемы преобразования сигнала.

,

 

 

Жесткий центр манометра через шар давит на тензорезистор R_x, включаемый в плечо моста. При изменении уровня жидкости Х меняется тензосопротивление, что приводит к разбалансу моста. Сигнал рассогласования, снимаемый с моста, усиливается в усилителе У и подается на двигатель Д. Последний уравновешивает мост и через редуктор перемещает стрелку показывающего или сигнализирующего устройства.

Емкостной метод измерения уровня основан на том, что электрическая емкость специального конденсатора, установленного в резервуаре с жидкостью, зависит от ее уровня.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропроводные и электропроводные.

На рис. 2.163,а показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня неэлектропроводной жидкости.

В среду опущен электрод 1, изолированный от корпуса втулкой 3. Вторым электродом является заземленный корпус преобразователя 2. Таким образом, преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатора С_ж, образованного часть. Электрода и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется, и конденсатора С_в, образованного остальной частью электрода и диэлектриком – воздухом.

Измерение электрической емкости С_д производится индуктивно-емкостным мостом (рис.2.163,б), состоящим из индуктивностей двух вторичных обмоток трансформатора Т_р, конденсаторов С_с, С₂ и С_д. Измерительный мост питается от генератора Г частотой 100 Гц. С изменением уровня жидкости изменяется глубина погружения электрода, что вызывает изменение емкость С_д и разбалансировку моста.

Сигнал разбаланса, пропорциональный уровню жидкости, подается на вход усилителя, выходное напряжение которого измеряется вторичным прибором ВП (потенциометром или миллиамперметром).

Диапазон измерения зависит от типа электрода, его длины, характеристики измеряемой жидкости.

Ультраакустический метод. Ультраакустические уровнемеры (рис.2.164) находят применение в технологических процессах, связанных с использованием токсичных и взрывоопасных сред, а также сред, находящихся в условиях высоких температур и давлений.

Действие средств измерения и контроля уровня этого типа основано на свойстве ультразвуковых колебаний проникать через металлические стенки резервуаров практически любой толщины и отражаться от границы раздела сред. Это свойство реализуется в двух вариантах.

В первом варианте используется способ отражения ультраакустической волны от границы раздела воздух-жидкость со стороны воздуха. Во втором варианте используется способ отражения импульсных сигналов от границы жидкость-воздух со стороны жидкости.

Мерой уровня жидкости Х является время прохождения ультразвука от пьезоэлектрического преобразователя 1 до границы и обратно.

Для реализации обоих методов пьезоэлектрический преобразователь 1^’ или 1 устанавливают в верхней или нижней части резервуара. Преобразователь посылает пучок импульсов в пространство над жидкостью (или в жидкость). Отраженный от жидкой (или газовой) границы сигнал воспринимается тем же преобразователем.

Электрические сигналы, подаваемые на пьезоэлектрический преобразователь 1^’ или 1 формируются высокочастотным генератором импульсов 2. Для формирования кратковременного пучка импульсов служит генератор пакетов 3, который одновременно управляет генератором импульсов 2 и схемой измерения 4. Выходной сигнал, подаваемый на указатель ОУ, формируется путем автоматического слежения за длительностью сигнала t – времени распространения пучка от излучателя до поверхности раздела и обратно. Поскольку пьезоэлектрические преобразователи 1^’ или 1 работают в режиме излучения – приема, после подачи пучка импульсов они же начинают прием отраженных сигналов. Так как скорость звука зависит от температуры воздуха, то для возникающих температурных погрешностей при измерении уровня жидкости применяют температурную компенсацию.

Ультраакустические измерители уровня имеют диапазон измерения от 1 до 15 м при погрешности не превышающей 2.5%.

Принцип действия радиационного методаизмерения уровня жидкости представлен на рис. 2.165.

Радиоизотопный источник И_З, например кобальтовый ⁸⁰Со, помещается в верхней части резервуара, а детектор Дет, состоящий из нескольких пластмассовых сцинтилляторов, светоколлекторов и общего фиксирующего устройства, - в нижней части резервуара. Сигналы с детектора поступают на усилитель У и отсчетное устройство ОУ.

С изменением уровня жидкости Х изменяется число импульсов в секунду, воспринимаемых детектором.

Уровнемеры, работающие по этому методу, имеют незначительные погрешности (не более 2…3%, однако требуют защиты от излучения. Они предназначены для непрерывного дистанционного измерения уровней различных жидкостей, в том числе расплавленных металлов и пластмасс.