Приборы для измерения уровня
Уровень — это высота столба рабочей жидкости в аппаратах.
Уровень измеряется в мм, см, м.
Визуальные уровнемеры (указательные стёкла)
Работа этих уровнемеров основана на принципе сообщающихся сосудов. Стеклянная трубка соединяется с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением и разрежением). Наблюдая за положением уровня в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.
Поплавок подвешен на гибком тросе, перекинутом через ролики. На другом конце троса укреплен груз для поддержания постоянного натяжения троса. На грузе закреплена стрелка, показывающая на шкале уровень жидкости.
Недостатки этих уровнемеров:
- перевернутая шкала (с нулём у верхнего края бака);
- трудность отсчета в начале шкалы у высокого резервуара;
- возможность коррозии и протравления тонких стенок поплавка, что приводит к его потоплению.
Гидростатические уровнемеры
- пьезометрические;
- дифманометрические.
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. Сила тяжести постоянна и поэтому об уровне жидкости судят по перемещению поплавка, помещенного в эту жидкость. У вторых — силе Архимеда противодействует сила упругости пружины.
И зменение уровня жидкости приводит к изменению силы упругости и следовательно перемещению поплавка.
H = x[1+c/(Sg)]
где х – перемещение буйка;
S – площадь поперечного сечения буйка;
g – ускорение свободного падения;
с – жесткость пружины.
Г идростатические.
Различают пьезометрические и дифференциальные. У первых о величине уровня судят по давлению столба жидкости. У вторых — по изменению перепада давлений в верхней и нижней отметке.
Ч ерез 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 = Hg
В о 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. P = Hg
Электрические.
Изменение уровня преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Различают емкостные и омические.
Принцип действия емкостного датчика 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).
где b — ширина электродов;
d — расстояние между электродами;
h = h 1 — h 2;
εср, εж, — диэлектрическая проницаемость среды и жидкости.
Во втором случае измерительный прибор служит для сигнализации уровня. Конденсатор в данном случае образован электродом 2, покрытым изоляционным материалом и стенкой резервуара1, а его электроемкость воздушной средой между ними, которая характеризуется ее диэлектрической проницаемостью. При достижении жидкостью в резервуаре 1 электрода 2 меняется среда, образующая емкость конденсатора, а следовательно диэлектрическая проницаемость, что приводит к изменению сигнала в электронном блоке и сигнализации.
П ринцип действия омического уровнемера 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.
И мпульсы 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; аж – скорость распространения звука в жидкости.
Для акустического уровнемера время распространения ультразвуковых колебаний: , где аг – скорость распространения звука в газовой среде;
Н – высота резервуара.
Радиоизотопные.
О 
снованы на сравнении интенсивности потоков -лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. (Делятся на две группы: со следящей системой, для непрерывного измерения уровня и сигнализаторы отклонения уровня от заданного значения)
Уровнемеры для сыпучих сред.
Весовой метод.
П рименяют либо тензометрические датчики и по сопротивлению проводника, зависящему от давления, которое зависит от массы вещества, являющейся в свою очередь функцией от уровня в резервуаре.
Либо динамометрический — по давлению, передаваемому на опору бункера судят о его заполнении
Поплавковый метод. (См. измерение уровня жидкости.)
Отличительной чертой является поплавок специальной округлой обтекающей, чтобы он оставался на поверхности сыпучего материала.
Е мкостной метод. (См. измерение уровня жидкости.)
Применяются также сигнализаторы, воспринимающие давление контролируемого вещества: маятниковый, мембранный.
11. Способы и средства измерения уровня.
Уровень – высота заполнения аппарата производственной средой жидким или сыпучим веществом.
Измеряется в м, мм, Па, кПа, %
- Визуальный (уровнемерное стекло)
Мерные линейки, рулетки, визуальные стекла.
- Поплавковый (способ при котором поплавок находится на поверхности)
- Буйковый (буёк всегда затоплен прибл.=3 кг)
- Гидростатический
Недостаток если аппарат находится под
Д авлением, то показания ошибочны, → используются дифференциальные монометры
Делятся на емкостные и кондуктометрические (сопротивление). Электрические уровнемеры выпускаются в виде сигнализаторов.
2 
-ый способ: измерение электрического сопротивления при касании электрода жидкости (электропровод)
- Акустические (локализация через газ)
И Ультразвуковые (локализация через слой жидкости (рабочая среда))
- Р адиоизотопный
12. Физико-химические измерения. Средства измерения плотности.
По количеству компонентов смеси делятся на двухкомпонентные – бинарные и многокомпонентные. Встречаются также псевдобинарные (как-бы) смесь – смесь по какому-либо физическому или химическому свойству может быть бинарным.
Плотность и вязкость
[ ]. Плотность зависит от условий измерения
Удельный вес: [ ] — зависит от места измерения
Существует понятие относительная плотность для жидкости:
(при 20 0 С) (дист. Вода при 4 0 С) →
Для газа: , где Р* — сухой газ при Т=20 0 С,p=760 мм рт.ст.
- Весовые
- поплавковые
- гидроаэростатические
- акустические
- радиоизотопные.
В есовой плотномер
Мембрана с тензометрическим преобразователем
Е сли газ тяжелый, то колокол опустится.
В этом плотномере анализируется газ и воздух под одинаковым давлением падаются в вертикальные трубки 1 и 2 и создают столбы одинаковой высоты. Разность аэростатических давлений измеряется с помощью высокочувствительного колокольного монометра (3), шкала которого проградуирована в единицах плотности.
13. Физико-химические измерения. Вязкость.
смеси по кол-ву компонентов:
- Однокомпонентные
- 2-х компонентные
- многокомпонентные
Псевдобинарные— смеси, кот-е по как-либо физ-хим. св-вам считается бинарной.
Вязкость-способность текучих тел оказывать сопротивление перемещению одних частей относительно других.
Расход объемный , -вязкость, d,l-параметры капилляра
необходим задатчик расхода
- Капиллярный вязкозиметр(рис1)
Прокачивая жидкость через капилляр измер-ся на капилляре,→ получ. коэф. , связанный с вязкостью.
1 диск вращается→1 диск вращается→крутящ. момент передается на стрелку.η(вязкость)=М(крутящ.момент)
3. С падающим телом
Измерение уровня сыпучих материалов
Имеется ряд обстоятельств, усложняющих задачу измерения уровня сыпучих материалов по сравнению с измерением уровня жидкостей. Прежде всего это неоднородность веществ в объеме, связанная с наличием пространства между твердыми частицами, заполненного газом. Степень неоднородности зависит от размеров частиц и непосредственно влияет на физические свойства материала, что усложняет применение методов измерения уровня, использующих определенные физические свойства. Следующая трудность измерения уровня обусловлена ограниченной подвижностью частиц из-за действия сил трения и сцепления между частицами, результатом чего является отсутствие горизонтальной плоскости раздела газ — материал.
Поверхность сыпучего материала расположена к горизонтали под углом естественного откоса, причем этот угол при заполнении или опорожнении емкости может быть различным. Ограниченная подвижность частиц приводит к сводообразованию, нарушающему нормальную работу измерительных устройств. Следствием ограниченной подвижности является зависимость давления внутри сыпучей массы от ориентации единичной площадки, формы бункера, коэффициента трения материала о стенки, что ограничивает применение методов измерения уровня, основанных на зависимости давления от уровня (по типу гидростатических).
Отрицательными качествами сыпучих материалов является способность к налипанию и абразивное воздействие. Усложнить работу уровнемеров может также запыленность газового пространства, что влияет на электрические свойства среды, а также предъявляет повышенные требования к обеспечению взрывобезопасности.
Простейшими по принципу действия уровнемерами для сыпучих материалов являются массовые, основанные на взвешивании бункера вместе с заполняющим его материалом. В качестве преобразователя в этих уровнемерах может быть использована гидравлическая мессдоза, которая служит опорой одной из лап бункера. Мессдоза представляет собой стальной корпус с поршнем, на который опирается лапа бункера. Поршень давит на герметизирующую металлическую мембрану. Внутренняя полость корпуса (под мембраной) заполнена жидкостью и соединена с манометром. Давление жидкости в системе мессдоза-манометр равно силе тяжести бункера с материалом, деленной на площадь поршня. Манометр градуируется в единицах массы или уровня. Погрешность таких уровнемеров достигает ±10%. В массовых уровнемерах вместо мессдозы могут применяться и более совершенные магнитоупругие преобразователи, обеспечивающие более высокую точность измерения (их погрешность не более ± 5 %). Основной элемент таких преобразователей — металлический чувствительный элемент, магнитная проницаемость которого изменяется при упругой механической деформации. Магнитоупругие преобразователи устанавливаются под опоры бункера и включаются в схему неуравновешенного моста, выходной сигнал которого зависит от степени деформации преобразователя, т.е. от количества материала в бункере.
Из всех электрических методов измерения уровня наиболее применимым является емкостный метод. Это объясняется как простотой конструкции емкостного преобразователя, так и малой чувствительностью их к неоднородностям. Как правило, преобразователи применяются одноэлектродными в виде зондов или изолированных тросов, вторым электродом является стенка бункера или вспомогательный электрод.
Основной недостаток таких уровнемеров — разрушение изоляционного покрытия преобразователя, налипание материала, зависимость показаний от изменения электрических свойств материала, вызванного, например, изменением его состава или влажности.
Специфическим уровнемером для сыпучих материалов является лотовый (рис. 1).
Рис. 1. Схема лотового уровнемера сыпучих материалов : 1 — лот; 2 — гибкий трос; 3 — сигнальное устройство; 4 — отсчетное устройство; 5 — механизм подъема лота
Чувствительным элементом таких уровнемеров представляет массивное тело — лот 1, подвешенное на гибком тросе 2. В начале цикла измерений лот зафиксирован в предельном верхнем положении. Цикл измерения уровня начинается с момента растормаживания лота, при этом под действием собственного веса лот начинает опускаться. В этот же момент сигнальным устройством 3, реагирующим на натяжение троса, включается отсчетное устройство 4, регистрирующее смещение лота относительно первоначального предельного положения. В момент касания лотом поверхности натяжение троса уменьшается и сигнальное устройство отключает отсчетное устройство, одновременно включая механизм подъема лота 5, возвращающее лот в исходное положение, после чего цикл измерения повторяется. Показания отсчетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед началом следующего цикла измерения показания отсчетного устройства должны быть сброшены. По такой схеме работает уровнемер сыпучих тел УСТ-2 (пределы измерения 0. 25 м, основная относительная погрешность ± 2,5 %).
Возможен бесконтактный вариант лотового уровнемера . В схеме такого уровнемера чувствительный элемент — лот не касается поверхности материала, а при любом уровне удерживается на определенном расстоянии от поверхности. Принцип действия основан на зависимости какого-либо реактивного параметра (емкости или индуктивности) чувствительного элемента — лота от положения относительно поверхности материала. Если при исходном положении лота уровень увеличился (т.е. поверхность материала приблизилась к лоту), то изменится его реактивный параметр и следящая система поднимет лот в такое положение, при котором значение реактивного параметра восстановится. Это означает, что положение лота относительно поверхности восстановилось, т.е. по положению лота можно судить об уровне материала. Положение лота измеряется электромеханической схемой и преобразуется в выходной сигнал. Примером такого уровнемера служит уровнемер РУДА-ЛOT для сыпучих мелкодисперсных материалов. Его верхние пределы измерения от 6 до 40 м, класс 0,5, выходной сигнал аналоговый или цифровой.
Для сигнализации загрузки или опорожнения бункеров применяются сигнализаторы уровня. Среди сигнализаторов уровня электропроводных материалов наиболее простыми являются кондуктометрические . Принцип действия таких сигнализаторов заключается в замыкании электрической цепи «стенка бункера—материал— электрод» при касании поверхностью материала электрода. Основные недостатки при эксплуатации: механическое разрушение электродов под действием материала, возможность ложных срабатываний из-за утечек через запыленную среду (обычно во избежание этого на электроды устанавливают охранные кольца). Надежная работа обеспечивается сигнализаторами, установленными в местах, где исключена возможность образования пустот. В качестве сигнализаторов уровня используются емкостные сигнализаторы с резонансной схемой измерения, например типа СУС. В таких устройствах емкостной преобразователь, образованный электродом и стенкой бункера или двумя электродами, совместно с катушкой индуктивности образуют колебательный контур. На него от высокочастотного генератора подается напряжение постоянной амплитуды фиксированной частоты, близкой к резонансной частоте контура при отсутствии среды в зоне чувствительного элемента. В этом случае с контура снимается сигнал максимальной амплитуды. Появление контролируемой среды в зоне чувствительного элемента вызывает изменение емкости, что приводит к изменению резонансной частоты и вызывает уменьшение амплитуды снимаемого с контура сигнала в соответствии с его амплитудно-частотной характеристикой. При определенной амплитуде снимаемого сигнала срабатывает выходное реле.
Находят применение также сигнализаторы с механическим чувствительным элементом. В сигнализаторе СУСМ — ПЭМ чувствительным элементом является механический щуп, поворачивающийся вокруг собственной оси до момента торможения контролируемым материалом. Привод — пневматический, выходной дискретный сигнал — электрический или пневматический, погрешность срабатывания от ±1 до ±10 мм.