Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости (2) высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке
ρ – Плотность жидкости
g – Ускорение свободного падения
h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Опубликована 05-03-12.

ТЕМА № 8

Анализаторы состава и свойств веществ.

§ 10.2. Средства измерений плотности жидкостей и газов

Плотностью р вещества называют физическую величину, опреде­ляемую отношением массы m вещества к занимаемому им объ­ему V:

В то время как плотность тела не зависит от его местонахож­дения на поверхности Земли, удельный вес изменяется в зависимо­сти от расположения тела на земном шаре (в пределах нашей стра­ны более чем на 0,3%). Поэтому справочные данные составля­ют по плотности.

В некоторых случаях используется понятие относительной плот­ности, определяемое как отношение плотности данного вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных фи­зических условиях.

Относительную плотность жидкого вещества принято выражать отношением его плотности, взятой при нормальной температуре (20 °С), к плотности дистиллированной воды при температуре 4°С и обозначить р²⁰^

Относительную плотность газа принято выражать отношением его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях (нормальная температура — 293,15 К, нормальное давле­ние— 101 325 Па = 760 мм рт. ст.).

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением тем­пературы. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит. Во мно­гих важных для практики случаях плотность можно рассматривать как аддитивное физическое свойство (см. гл. 11).

Средства измерений плотности часто называют плотномерами или денсиметрами (денситометрами) (от лат. densus — плотный, густой и от греч. metreo — измеряю). \]i Для измерения плотности в настоящее время применяются плот­номеры весовые, поплавковые, гидроаэростатические, гидрогазоди-I намические, радиоизотопные, акустические, вибрационные и др. [20].

Далее рассмотрены наиболее широко применяемые автоматиче­ские плотномеры жидкостей и газов.

Весовые, или пикнометрические (от греч. pyknos— плотный), плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров (см. табл. 9.1) состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубо­проводе, т. е. в соответствии с выражениями (10.1) — (10.3) плот­ность определяется через удельный вес.

Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рис. 10.1, а.

Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 7, изготовленная из нержавеющей стали, соединенная через

тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализи­руемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 пово­рачиваться вокруг оси О — О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4 пере­дается к механоэлектрическому или механопневматическому преоб­разователю 5,

построенному по принципу компенсации сил (см. гл. 5), выходной сигнал С_ВЫх которого пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство 8 служит для автоматического введения по­правки к сигналу плотномера в зависимости от температуры ана­лизируемой жидкости, которую это устройство непрерывно изме­ряет.

Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в интервале 0,5—2,5 г/см³. При этом может быть установлен диа­пазон измерений 0,05—0,3 г/см³ в любой части указанного интер­вала. Максимальная температура анализируемой жидкости 100 °С, классы точности 1—1,5.

Поплавковые, или ареометрические (от греч. —araios жидкий и metreo измеряю), плотномеры. Принцип действия этих механиче­ских плотномеров основан на непрерывном измерении выталкиваю­щей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.

На рис. 10.1, б показана схема поплавкового плотномера жид­костей с частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту емкость непрерывно прокачивается анали­зируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плот­номера через сборник 3. При изменении плотности жидкости изме­няется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение по­ложения равновесия сил N и G„ обеспечивается при этом измене­нием длины / стержня 4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью диф­ференциального трансформатора 5.

Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) G„ и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются плвыражениями

рую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталки­вающей силы, действующей на поавок, при прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. По­плавок укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры / обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, созда­ваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответст­вующем нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем силы 6 в унифицированный пнев­матический или электрический сигнал С_ВЫх. Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см³. Диапазон измерений может быть установлен от 0,05 до 0,2 г/см³ в любой части указанного интервала. Температура анализируемой жидкости может составлять —о-г +110°С. Класс точности 1.

Гидро- и аэростатические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости давления Р столба анализируемой жидкости или газа от плотности р этих

На рис. 10.2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости. В данном измерительном устройстве анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру /, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Рас­стояние между этими сильфонами по высоте составляет Я, поэтому на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон 3 заполнены вспо­могательной жидкостью. Сильфон 3 служит для температурной компенсации и по существу представляет собой жидкостный мано­метрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 и 4, воз­никающая за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном рычаге 8 вращающий момент, который через рычаг 7 передается в преобразователь 5 силы в унифициро­ванный электрический или пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага 7. Основные технические характеристики: диапазон измерений от 0—0,05 до 0—0,5 г/см³; максимальная температура жидкости 200°С; класс точности 1.

Схема гидростатического плотномера, принцип действия кото­рого основан на измерении гидростатического давления путем про­дувки сжатого газа, показана на рис. 10.2, б. Такие плотномеры используются в химико-технологических процессах для измерения плотности непосредственно в технологических аппаратах. В аппа-

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на резуль­тат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.

Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на рис. 10.2, в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при постоянных давлениях соответст-278 венно через вертикальные трубки / и 2, внутренние полости кото­рых образуют столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность аэростатических давлений этих столбов измеря­ется с помощью высокочувствительного колокольного дифманомет­ра 3, работающего по принципу уравновешивания за счет измене­ния выталкивающей силой (см. гл. 4). Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью преобразователя 5 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м³ с диапазоном измерений от 0,2 до 1 кг/м³ и с погрешностью ±0,01 кг/м³.

Одним из наиболее совершенных и чувствительных является плотномер (рис. 10.2, г), в котором используется комбинация меха­нического и теплового эффектов. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом поступает в трубку 2, а в трубку 3 при посто­янном давлении поступает вспомогательный газ (обычно воздух). Газовые потоки выводятся через трубку 1. Трубки 1, 2 и 3 располо­жены вертикально. При изменении плотности анализируемого газа изменяется аэростатическое давление столба газа в трубке 2, а следовательно, и давление в точке А. Поэтому изменяется расход воздуха, омывающего резисторный измерительный термоанемометр /?и (см. § 7.8), в результате чего изменяется его сопротивление. Сопротивление сравнительного термоанемометра R_cp остается по­стоянным, так как омывающий его поток воздуха практически не изменяется. Изменение сопротивления термоанемометра R_H вызы­вает разбаланс U неравновесного моста 4. Этот разбаланс описы­вается выражением [22]:

Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на сообщении потоку анализируемого вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении параметров, характеризующих эффекты, возникаю­щие при этом воздействии. В основном указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению плотности газов.

На рис. 10.3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов. В плотномере (рис. 10.3, а) потоку анализируе­мого газа, протекающего через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, приводимой во вращательное движение син­хронным двигателем Л Поток газа поступает к турбинке 4 и соз­

ваемым на оси 8 плоской пру­жины 5. Угол поворота оси 8 и стрелки 6 по шкале пропорцио­нален плотности газа. С помо­щью преобразователя 7 угол поворота преобразуется в уни­фицированный сигнал. Класс точности рассматриваемого плотномера 0,5—1,5 (в зависи­мости от диапазона измере­ний).

В основу работы плотноме­ров (рис. 10.3, б, в) положен эффект истечения газа через диафрагму. В плотномере, представленном на рис. 10.3, б, анализируемый газ прокачива­ется с постоянным объемным расходом Q, создаваемым трех­ступенчатым вентилятором 3, через диафрагму 4 диаметром 0,5—1 мм. Вентилятор приво­дится во вращательное движе­ние через магнитную муфту 2 синхронным двигателем или

Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных и рабочих условиях. Класс точности его 1.

^Плотномер (рис. 10.3, в) является устройством циклического действия и работает в импульсном режиме (см. гл. 9). Он пред­ставляет собой пневматический неравновесный мост, составленный из четырех диафрагм (турбулентных пневмосопротивлений), два 280 из которых Ru и Ri включены в измерительную 4, а два других Rcp и ft — в сравнительную 7 ветвь моста. Через обе ветви моста все время протекает сухой воздух (газ-носитель), поступающий от регулятора давления 1. При этом перепад давления между точка­ми А и Б моста равен нулю. В дозатор 3 все время поступает анализируемый газ, промывая дозируемый объем 2. Периодически по сигналу командного прибора 6 каналы дозатора переключаются (см. гл. 12) так, что дозируемый объем отключается от линии ана­лизируемого газа, а к нему подключается линия подачи газа-носи­теля. Газ-носитель начинает выталкивать отобранный объем газа через измерительную ветвь 4 и турбулентное пневмосопротивление к_и в атмосферу. При этом давление в точке А изменяется, а в точ­ке В остается постоянным. Разность давления между точками А и В описывается выражением

Перепад давлений на измерительной диагонали АВ моста изме­ряется дифманометром 5 с унифицированным выходным сигналом. Сигнал плотномера практически не зависит от изменений окружа­ющей температуры и давления. Продолжительность одного цикла работы 3 мин. Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м³ с диапазонами измерений, отсчитанными от значения плотности воздуха при 20°С и равными от ±0,1 до ±1,5 кг/м³. Классы точности 2—3 (в зависимости от диапазона измерений).

Вибрационные плотномеры. Принцип действия этих механиче-ческих плотномеров основан на зависимости параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым веще­ством или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т. д. Часто­та собственных колебаний резонатора, заполненного или находя­щегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением

Конструктивно различают проточные и погружные вибрацион­ные плотномеры. В первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во вторых — резонатор раз­мещается в потоке анализируемого вещества.

На рис. 10.4, а показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает парал­лельно в трубки 1 и 2 (резонатор), установленные в сильфонах 6

и скрепленные перемычками 8. Сильфоны 6 расположены в опо­рах 5. Указанные трубки, катушка 3, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 4 и электронный усили­тель 10 составляют электромеханический генератор, частота коле­баний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 10 в виде частоты вводится в вычисли­тельное устройство 9, к которому подключены платиновые термо­метры сопротивления 7 и //, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жид­кости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м³, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погреш­ность измерения ±1,5 кг/м³.

На рис. 10.4, б показана схема погружного камертонного вибра­ционного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор

газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.

§ 10.3. Средства измерений вязкости жидкостей

Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов — увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико-технологических процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В настоящее время раз­работаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрацион­ные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом и др. [23]. Да­лее рассмотрены вискозиметры, наиболее часто применяемые в. химико-технологических процессах.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения). Прин­цип действия этих механических вискозиметров основан на законо­мерности истечения жидкости через капилляр, описываемой зако­ном Пуазейля: