10069

где k – коэффициент соответствующий пяти фиксированным положениям из-

мерительной трубки относительно сектора 4 от 0,2 до 0,8), которые соответст-

вуют пределам измерения от 0,6 до 2,5 кПа.

2.4.3. Механические манометры

Механические манометры являются измерительными приборами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в переме-

щение чувствительного элемента и связанного с ним механически показываю-

щего, регистрирующего или контактного устройства [3]. Схема механического пружинного манометра представлена на рисунке 2.12в. Одновитковая трубча-

тая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной го-

ловкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка,

подводящая давление. Свободный конец пружины присоединяется к пробке 3

соединенной с поводком 4 шарниром. Под действием подведенного давления пружина 1 перемещается, приводя в движение поводок 4. При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относи-

тельно оси 8, поворачивая шестерню 6 и сидящую на одной оси с ней показы-

вающую стрелку 7, которая отображает результаты измерения давления на шкале измерительного прибора.

Схожий принцип работы имеют металлические барометры (анероиды),

работающие аналогично барометрам Види и Бурдона [8], которые предназначе-

ны для изменения величины атмосферного давления.

Кроме рассмотренных выше конструкций механических показывающих манометров существуют также сильфонные и мембранные манометры.

2.4.4. Барометры

Барометры – это приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления. В настоящее время известны различные конструкции барометров, а

именно: чашечный барометр; барометр Фортеня; сифонный барометр и пр.

51

Наиболее простыми по своей конструкции являются чашечные баромет-

ры, заполненные ртутью, отградуированные на мм рт. ст. Схема чашечного ба-

рометра приведена на рисунке 2.12г, принцип работы которого следующий. В

верхней части трубки находится пустота. При увеличении атмосферного давле-

ния воздух надавливается на поверхность ртути в чашечке и поэтому часть рту-

ти входит в трубку, вследствие чего ртутный столб в трубке поднимается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное движение, ртутный столб опускается. Для чтения дробных значений миллиметра по шкале прибора используют нониус. К шкале барометра присоединяется подвижная линейка со шкалой в 9 мм, точно деленной на 10 частей. Таким образом, каждое деление нониуса имеет в длину 9/10 мм, следовательно, на 1/10 мм короче деления шка-

лы. Погрешность считывания высоты столба при использовании нониуса не превышает 0,1 мм. При более точных измерениях требуется вводить поправки на отклонение ускорения свободного падения от нормального значения, темпе-

ратуру барометра, а для трубок диаметром менее 8-10 мм – на учет капилляр-

ной депрессии обусловленной поверхностным натяжением ртути.

Барометры устанавливают в помещении с наименьшими возможными ко-

лебаниями температуры внутреннего воздуха за период измерений, а также располагают в местах недоступных для попадания прямых солнечных лучей.

2.4.5. Барографы

При необходимости проведения непрерывных измерений барометриче-

ского давления за некоторый промежуток времени пользуются барографами,

которые являются самопишущими приборами, сконструированными наподобие термографов. Чувствительным элементом, воспринимающим колебания атмо-

сферного давления, служит пружинящая тонкостенная металлическая коробка,

соединенная с системой рычагов. Конечный рычаг снабжен пишущим пером,

наносящим кривую измерений на разграфленной полосе бумаги.

52

Регулировка прибора и внесение поправок в его показания осуществляет-

ся по показаниям ртутного барометра. Внешний вид барографа М-22А пред-

ставлен на рисунке 2.12д.

53

Рис. 2.12. Схемы манометров. Двухтрубный (а): 1, 2 – стеклянные трубки; 3 - основание; 4 – шкальная пластина. Микроманометр ММН (б): 1 – измерительная трубка; 2 – сосуд;

3– кронштейн; 4 – сектор. Пружинный (в): 1 – трубчатая пружина; 2 – держатель; 3 - пробка;

4– поводок; 5 – зубчатый сектор; 6 – шестерня; 7 – измерительная стрелка. Чашечный (г):

1– нониус; 2 – термометр. Барограф М-22А, ОАО «Гидрометприбор» (д)

54

2.5. Приборы для измерения уровня

Измерение уровня – это определение расстояния от верхней поверхности жидкости или сыпучего вещества, находящегося в резервуаре, до любой произ-

вольно выбранной отметки выше или ниже этой поверхности [7]. Измерители уровня изготавливаются в виде механических, электрических и других уст-

ройств, разнообразие конструкций которых связано с широким диапазоном размеров емкостей, различиями в условиях эксплуатации и физико-механи-

ческих свойствах измеряемых веществ.

2.5.1. Поплавковые уровнемеры

Для открытых резервуаров и резервуаров с низким внутренним давлени-

ем применяют поплавковые механические указатели уровня. Поплавок 1 поме-

щают на поверхности жидкости внутри резервуара. Перемещение поплавка вниз-вверх при изменении уровня жидкости передается на отсчетное приспо-

собление, расположенное за пределами резервуара.

На рисунке 2.13а показана принципиальная схема поплавкового уровне-

мера с электрической дистанционной передачей [7]. На одной из осей установ-

лены барабаны 4, 6, на которые действуют противоположные по направлению вращающие моменты от веса поплавка и уравновешивающего груза 3. При по-

нижении уровня жидкости в баке будет наблюдаться опускание поплавка, а при повышении уровня поднятие поплавка, натяжение троса будет обеспечиваться уравновешивающим грузом. Оба барабана сообщаются с валом сельсина-

датчика 5 через зубчатую передачу. Сельсин-датчик передает информацию о положении поплавка посредством электрического сигнала сельсину-

приемнику, расположенном в показывающем приборе 7. Положение поплавка,

число оборотов мерительного барабана и показания сельсина-датчика связаны друг с другом известной зависимостью.

Наиболее рациональным является применение данных уровнемеров при измерении уровня жидкостей в открытых резервуарах.

55

2.5.2. Емкостные уровнемеры

Емкостной (конденсаторный) уровнемер – это уровнемеры, принцип ра-

боты которых основан на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилинд-

рами или пластинами, частично введенными в жидкость, от её уровня.

Принципиальная схема конденсаторного уровнемера и его электрическая схема для измерения уровня электропроводящих жидкостей находящихся в ме-

таллическом баке представлена на рисунке 2.13б. Преобразователь данного уровнемера выполнен в виде электрода 1, покрытого слоем изоляции 2 и по-

груженного в металлический резервуар 3.

Полная емкость преобразователя определяется по формуле, Φ [3]:

где C1 – емкость конденсатора, обкладками которого является поверхность электрода 1, Φ; C2 – емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2, второй – поверхность резер-

вуара 3, Φ; Cи – емкость проходного изолятора, Φ.

При увеличении высоты h, м, увеличивается площадь обкладки – поверх-

ность жидкости, что ведет к увеличению C1.Таким образом, зависимость пол-

ной емкости преобразователя от высоты уровня жидкости известна и после пе-

редачи её значения на вторичный преобразователь отображается на его дис-

плее. Данная конструкция конденсаторного уровнемера не является единствен-

ной и зависит от электрической проводимости корпуса бака, жидкости, чей уровень измеряется, требуемой точности измерения и пр.

Емкостные уровнемеры широко распространены по причине их дешевиз-

ны, простоты обслуживания, удобства монтажа, отсутствия подвижных элемен-

тов, возможности использования в широком диапазоне температур и давлений.

Недостатком данных уровнемеров является сложность измерения ими уровней вязких, пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей.

56

2.5.3. Радиоволновые уровнемеры

Радиоволновыми называют уровнемеры, основанные на зависимости па-

раметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости. К ра-

диоволновым методам относятся: радиолокационный; радиоинтерферационной;

эндовибраторный; резонансный [3]. Рассмотрим принцип работы радиолокаци-

онного уровнемера, который основывается на явлении отражения электромаг-

нитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и маг-

нитными свойствами. Схема работы уровнемера представлены на рисунке

2.13в. Уровнемер состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энер-

гии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени.

Уровень h определяется измерением временного интервала между момен-

том отправления сигнала излучателем 1 и приходом отражаемого сигнала на приемник 2 и выражается из формулы, м:

c

где H – высота, указанная на рисунке 2.13в, м; τ – время прохождения сигнала,

с; ε·μ – произведение диэлектрической и магнитной проницаемость измеряемой среды; c – скорость света в вакууме, м/с.

Радиоволновые уровнемеры применяются для измерения процессов, ха-

рактеризующихся тяжелыми условиями работы чувствительного элемента, на-

пример высокой температурой или требующих высокой точности измерений и повышенной надежности работы.

2.5.4. Акустические уровнемеры

Акустические уровнемеры подразделяются по принципу действия на: ло-

кационные; поглощения; резонансные. Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры, работа которых основана на эффекте отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость-газ.

57

Упрощенная схема акустического локационного уровнемера представле-

на на рисунке 2.13г [3]. Источником и приемником отраженных ультразвуко-

вых колебаний является пьезоэлемент, помещенный в акустический преобразо-

ватель 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые воз-

буждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импуль-

сов от генератора 2. Генератор включает схему измерения времени 4. Отражен-

ный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время τ, со-

ответствующе контролируемому уровню h, м. Таким образом, измеряемый уро-

вень жидкости h определяется по формуле:

где H, h, c – тоже, что и в формуле (2.27).

Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в элек-

трический сигнал, который усиливается с помощью усилителя 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 конвертирует значение времени в выходной сигнал, который измеряется вторичным прибором 6. Блок темпера-

турной компенсации 7 предназначен для уменьшения влияния изменения тем-

пературы газа и включает в себя термопреобразователь сопротивления.

2.5.5. Термокондуктометрические уровнемеры

Термокондуктометрические уровнемеры – это уровнемеры, элементом электрической цепи которых является нагреваемый током резистор с большим температурным коэффициентом электросопротивления, электрическое сопро-

тивление которого зависит от уровня жидкости [3].

Принцип действия данного уровнемера основан на различии условий те-

плообмена в жидкостях и газах. Чувствительным элементом уровнемера явля-

ется протяженный терморезистор, электрическое сопротивление которого оп-

ределяется его температурой, причем чувствительность преобразователя увели-

чивается с ростом температурного коэффициента электросопротивления мате-

риала. Термокондуктометрический преобразователь помещен в резервуар од58

ной частью в измеряемую жидкость, а другой в газовое пространство. В случае изменения уровня жидкости меняется соотношение длин этих участков.

Для поддержания теплоотдачи необходимо проводить подогрев преобра-

зователя, который может осуществляться либо проходящим через преобразова-

тель током постоянной силы, либо с помощью дополнительного косвенного по-

догревателя. Принцип действия термокондуктометрического преобразователя заключается в использовании различия теплоотдачи нагретого терморезистора к жидкости и газу, что приводит к отличной их температуре и как следствие различному сопротивлению. Совокупное электрическое сопротивление обоих

где r0 – удельное электрическое сопротивление сухого преобразователя, Ом/м; α – температурный коэффициент сопротивления сухого преобразователя, K‒1; t1, t2 – температура сухого и погруженного термоэлектрического преобразова-

теля, °C (K); h – уровень жидкости, м.

Коэффициент преобразования R/h увеличивается с повышением удель-

ного сопротивления терморезистора и его температурного коэффициента со-

противления, а также с ростом температуры сухого преобразователя.

Чрезмерное повышение температуры сухого преобразователя недопусти-

мо, так как оно может привести к опасности повреждения протяженного термо-

резистора и к повышению температуры жидкости, уровень которой контроли-

руется в процессе измерений.

Основным направлением применения термокондуктометрических уров-

немеров являются измерения уровня сжиженного газа в криогенной технике.

59

Рис. 2.13. Уровнемеры. Поплавковый (а): 1 – поплавок; 2 – счетчик для согласования сельсинов; 3 – противовес; 4 – вспомогательный барабан; 5 – сельсин-датчик; 6 – мерительный барабан; 7 – вторичный преобразователь. Конденсаторный (б): 1 – стержень; 2 - изоляция; 3 – резервуар; Zпр – выходное сопротивление, Ом; Rж – активное сопротивление жидкости, Ом; Rи – активное сопротивление изолятора, Ом. Радиолокационный (в): 1 – излучатель; 2 – приемник электро-магнитной энергии; 3 – преобразователь измерения интервала времени. Акустический, локационный (г): 1 – акустический преобразователь; 2 – генератор; 3 – усилитель; 4 – схема измерения времени; 5 – преобразователь; 6 – вторичный прибор; 7 – блок температурной компенсации. Термокондуктометрический (д): 1 – измеряемая жидкость; 2 - протяженный терморезистор

60