Методы и средства измерения уровня

4. Методы и средства измерения уровня

4.1. Общие сведения

Средства измерений, сигнализации и регулирования уровня находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Они позволяют получить информацию о количестве (массе) продукта и его наличии в аппарате. Характерная особенность их использования - широкое разнообразие физических характеристик контролируемых сред и рабочих условий, конструктивных метрологических и других технико-эксплуатационных требований.

Контролируемые среды могут быть жидкими и сыпучими с различными степенями электропроводимости, плотности, вязкости, дисперсности, агрессивности, склонности к кристаллизации, осадкообразованию, а также с различными степенями стабильности физических свойств при изменении внешних условий и тому подобное.

Под уровнем понимают высоту заполнения аппарата контролируемой средой - жидкостью или сыпучим веществом. Единицы измерения уровня - (мм, м).

В зависимости от метода измерения различают уровнемеры:

-  поплавковые и буйковые, основанные на законе Архимеда;

-  гидростатические ( пьезометрические и диффманометрические );

-  электрические ( емкостные, омические и другие );

-  локационные или волновые (ультразвуковые, радиоволновые, радарные, акустические);

-  радиоизотопные;

-  визуальные.

4.2. Уровнемеры поплавковые и буйковые

Принцип действия поплавковых и буйковых уровнемеров основан на законе Архимеда. Согласно этому закону на чувствительный элемент ( далее ЧЭ ), находящийся в жидкости, действует подъемная ( выталкивающая ) сила. Для ЧЭ цилиндрической формы выталкивающая сила:

F=ρ·g·S·x ,                                                                              (4.1.)

где ρ - плотность жидкости, в которую погружена часть ЧЭ;

g- ускорение свободного падения;

S - площадь сечения ЧЭ;

x - глубина погружения ЧЭ;

Принцип действия поплавкового уровнемера основан на следящем действии ЧЭ поплавка, плавающего на поверхности жидкости и перемещающегося вместе с ее уровнем. Рассмотрим работу поплавкового уровнемера с противовесом (рис. 4.1). Это поплавковый уровнемер широкого диапазона измерения.

Рис 4.1. Принципиальная схема поплавкового уровнемера

Средняя плотность поплавка меньше плотности жидкости. Противодействие выталкивающей силе создается силой тяжести поплавка, то есть состояние равновесия системы "поплавок - противовес" описывается уравнением:

,                                                  (4.2.)

где G_п, G - силы тяжести противовеса и поплавка.

Поплавок 1 связан с противовесом 4 гибким тросом 2. К противовесу крепится стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в аппарате 5. Уравнение равновесия такой системы выведено без учета силы тяжести троса и трения в роликах. Для передачи информации о значении уровня в аппарате используются сельсинные системы передачи (см. раздел 2). Могут также применяться преобразователи угла поворота в электрический или пневматический унифицированные сигналы. Недостатком данной схемы является обратная шкала.

Абсолютная погрешность измерения таких уровнемеров +4 и +10 мм.

Минимальный диапазон измерений 0÷12 м., максимальный 0÷20 м.

Получили распространение и поплавковые уровнемеры узкого диапазона измерения, обычно представляющие собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80÷100 мм., выполненный из нержавеющей стали. Поплавок 1 через штангу 2 и специальное сальниковое уплотнение 3 соединен со стрелкой измерительного прибора 4 (или с преобразователем угловых перемещений). Уровнемеры выпускаются 2-х типов: фланцевые (рис. 4.2) и камерные (рис 4.3).

Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров -10/0/10 мм; максимальный -200/0/200 мм. Класс точности 1,5.

Принцип действия буйкового уровнемера также основан на законе Архимеда. В отличие от поплавкового уровнемера чувствительным элементом в них является длинный цилиндрический буек, изготовленный из материала