Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

200

ра в уравнительный сосуд. Для уменьшения этой погрешности уста-

навливают уравнительный сосуд с большим поперечным сечением,

при этом, большие колебания уровня Н в резервуаре не вызовут

больших колебаний h

в уравнительном сосуде.

Колебание уровня жидкости в резервуаре Н изменяет давление

∆Р на плоскую мембрану дифманометра, от прогиба которой переме-

щается сердечник дифференциально – трансформаторного преобразо-

вателя. Выходная электрическая величина (выходное напряжение U

вых

или индуктивность), таким образом, однозначно определяется значе-

нием уровня жидкости в резервуаре и измеряется вторичным измери-

тельным прибором, установленным на пульте управления объектом.

Электрическая величина U

вых

может быть использована также в сис-

темах автоматического регулирования уровня Н и в системах сигнали-

зации.

Гидростатические уровнемеры получили наиболее широкое рас-

пространение для измерения уровня воды в барабанах паровых кот-

лов. Работа такого барабана отличается такими особенностями: высо-

ким давлением и температурой воды и пара, интенсивным выделени-

ем пара из воды, значительным изменением плотности воды и пара

при колебаниях давления и температуры во время неустановившихся

режимов и в процессе пуска котла.

Простейшей схемой измерения уровня воды (жидкости) в бара-

бане котла (в резервуаре под давлением) является схема с использова-

нием однокамерного уравнительного сосуда (рисунок 6.3). Уравни-

тельный сосуд 1 подсоединяется к паровому пространству барабана, а

импульсная трубка 3 подключается непосредственно к водяному про-

странству барабана. Перепад давления ∆Р, измеряемый дифманомет-

ром 4,определяется разностью давлений, создаваемых в левой (мину-

совой) импульсной трубке Р

, и правой (плюсовой) уравнительной ли-

нии Р

, которые соответственно равны:

=(h - H)ρ

⋅g+ H⋅ρ

⋅g+ h

⋅ρ

⋅g – давление в левой трубке;

=(h+h

)⋅ρ

⋅g – давление в правой трубке;

где ρ

– плотность пара;

– плотность воды в барабане;

– плотность воды в левой трубке;

– плотность воды в правой трубке.

Таким образом, перепад ∆Р, действующий на дифманометр, бу-

дет определяться выражением:

∆Р=Р

– Р

=[(h-H)ρ

+Н⋅ρ

– (h+h

)ρ

](6.7)

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

201

Как видно из фор-

мулы (6.7), показание

уровнемера зависит не

только от текущего уров-

ня жидкости в барабане

Н, но и от плотности во-

ды в барабане ρ

, в им-

пульсных трубках ρ

и ρ

а также от плотности па-

ра в барабане. поэтому

расчет шкалы дифмано-

метров-уровнемеров про-

изводят на рабочее (но-

минальное) давление в

барабане. Кроме того, на

результат измерения ока-

зывает влияние измене-

ние плотности воды ρ

в импульсных трубках, что может происходить при изменении тем-

пературы окружающей среды или температуры воды в барабане.

На практике для определения действительного значений уровня

воды в барабане котельной установки применяют расчетные таблицы

или графики, по которым вводится поправка в показание дифмано-

метра на температуру и давление пароводяной среды в барабане, а

также на температуру окружающей среды. Уровнемеры с однокамер-

ными уравнительными сосудами применяются на котлах с номиналь-

ным давлением пара до 4,5 МПа. При больших давлениях использу-

ются уровнемеры с двухкамерным уравнительным сосудом. В этих

уровнемерах для уменьшения влияния температур окружающей среды

и воды в барабане на показания дифманометра используется двухка-

мерный уравнительный сосуд (рисунок 6.4). Внешняя поверхность

уравнительного сосуда 1 покрыта тепловой изоляцией 2 для того, что-

бы плотность воды в нем и во внутренней трубке 3, соединенной с

водяным пространством барабана, была равна плотности воды в бара-

бане. Такая конструкция уровнемера позволяет иметь одинаковые

уровни воды в барабане Н и во внутренней трубке h

, т.е. Н= h

. Для

такой схемы уравнение для перепада давления ∆Р, действующего на

пар

ДМ

–

1 – уравнительный сосуд; 2 – правая импульс-

ная трубка; 3 – левая импульсная трубка;

4 –дифманометр (ДМ)

Рисунок 6.3 – Схема уровнемера с однокамер-

ным уравнительным сосудом

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

202

дифманометр 4, имеет вид:

∆Р=h

⋅ρ

⋅g – [h

⋅ρ

⋅g+(h

- h

)ρ

⋅g]=(h

-h

)(ρ

- ρ

)(6.8)

где ρ

, ρ

– плотности воды и пара в барабане.

Как видно из приве-

денного уравнения (6.8),

даже при использовании

двухкамерного уравни-

тельного сосуда показа-

ния уровнемера зависят

от разности плотностей

воды и пара ρ

- ρ

, кото-

рая может меняться при

изменении режима рабо-

ты агрегата.

В уровнемерах с

двухкамерными уравни-

тельными сосудами важ-

ное значение имеет обес-

печение равенства темпе-

ратур в барабане и в

уравнительном сосуде.

При изменении темпера-

туры в сосуде относи-

тельно барабана появля-

ется дополнительная погрешность из-за нарушения равенства гидроста-

тического давления воды в барабане и во внутренней трубке, а также

из-за изменения гидростатического давления в уравнительном сосуде.

Гидростатические уравнения получили большое распространение

для измерения уровня конденсата (воды) в конденсаторах турбин на

тепловых электростанциях. Эффективность работы конденсаторов

зависит от точного измерения уровня конденсата и стабилизации его

значения с использованием системы автоматического регулирования.

Так, повышение уровня воды в конденсаторе приводит к затоплению

нижних рядов охлаждающих труб, что вызывает переохлаждение кон-

денсата, приводящее к дополнительной потере тепла и к снижению

КПД котельной установки. И, наоборот, значительное понижение

уровня конденсата ухудшает работу конденсатного насоса вследствие

уменьшения подпора со стороны всасывающей трубы насоса.

Схема измерения уровня в конденсаторе турбины приведена на ри-

сунке 6.5. Однокамерный уравнительный сосуд 3 соединяется

пар

ДМ

1 – уравнительный сосуд; 2 – тепловая

изоляция; 3 – внутренняя трубка; 4 –дифмано-

метр (ДМ)

Рисунок 6.4 – Схема уровнемера с двухкамер-

ным уравнительным сосудом

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

203

посредством трубы 2

с паровым простран-

ством конденсатора 1,

а труба 6 присоедине-

на ко всасывающей

трубе конденсатного

насоса 7. По трубе 4

через ограничитель-

ную диафрагму 5 не-

прерывно поступает в

небольшом количест-

ве конденсат из на-

порной линии кон-

денсатного насоса.

Благодаря такой

схеме уровень воды в

сосуде 3 поддержи-

вается постоянным,

так как подаваемый в

него конденсат пол-

ностью восполняет

убыль воды из сосуда

вследствие ее испа-

рения. При неболь-

шом избытке конден-

сата, он будет сте-

кать в конденсатор

по трубе 2.

Уравнительный сосуд 3 в данной схеме измерения уровня можно

не покрывать изоляцией, т.к. температура конденсата в конденсаторе

мало отличается от температуры воздуха, окружающего уравнитель-

ный сосуд.

Перепад давлений ∆Р, действующий на дифманометр, определя-

ется по уравнению:

∆Р=[h⋅ρ

- Н⋅ρ

– (h - Н)ρ

]g,

или

∆Р= (h - Н)(ρ

- ρ

)g,(6.9)

где ρ

– плотность воды столбов Н и h, кг/м

;

– плотность воды в конденсаторе, кг/м

1 – конденсатор; 2 – соединительная труба;

3 – уравнительный сосуд; 4 –конденсатопровод;

5 – диафрагма; 6 – импульсная трубка; 7 – конден-

сатный насос

Рисунок 6.5 – Схема измерения уровня воды в

конденсаторе турбины

пар

ДМ

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

204

Если учесть, что плотность воды ρ

значительно больше плотно-

сти пара ρ

, находящегося в конденсаторе при низких давлениях, то

уравнение (6.9) можно представить в более простом виде:

∆Р= (h - Н)ρ

g.(6.10)

Все рассмотренные схемы гидростатических уровнемеров не

обеспечивают полной независимости показаний от изменений пара-

метров (температуры, давления, состава и др.) как измеряемой жидко-

сти, так и окружающей среды. Для более точного определения уровня

жидкой среды необходимо использовать расчетные поправочные ко-

эффициенты.

6.4 Поплавковые и буйковые уровнемеры

В поплавковых уровнемерах измерение уровня производится по

положению поплавка, который перемещается вертикально вместе с

уровнем жидкости.

Наибольшее распространение получили уровнемеры с механиче-

ской связью поплавка с измерительным устройством. Об уровне в этом

случае судят по положению прикрепленного к противовесу указателя,

соединенного с поплавком при помощи троса, перекинутого через блок

(рисунок 6.6). Этот метод применяется для резервуаров, находящихся

под атмосферным давлением, и расположенных недалеко от места на-

блюдения. Использование гибких элементов (троса, ленты) для полу-

чения информации о положении поплавка затруднено для резервуаров

под давлением из-за сложности герметизации выводов.

Для дистанционного измерения уровня жидкости можно приме-

нить катушку индуктивности, внутри которой перемешается сердеч-

ник, прикрепленный к тросу. Выходным сигналом является индуктив-

ность катушки, сердечник которой

через трос связан с положением по-

плавка, т.е. со значением уровня.

Точность измерения уровня за-

висит в основном от постоянства

плотности жидкой среды, находя-

щейся в резервуаре. При колебаниях

величины плотности (например, из-

за изменения температуры, состава и

других характеристик среды) изме-

няется величина погружной части

Рисунок 6.6 – Схема поплавкового

уровнемера

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

205

поплавка. Уменьшение погрешности из-за колебания плотности жид-

кости может быть достигнуто либо увеличением диаметра поплавка,

либо уменьшением веса поплавка. Однако, уменьшение массы по-

плавка ограничивается обеспечением требуемого натяжения троса, а

увеличение диаметра поплавка ограничивается конструктивными раз-

мерами уровнемера.

Поплавковые уровнемеры обладают определенными достоинст-

вами: простотой конструкции, большим диапазоном измерения (до 12

м), достаточно высокой точностью (погрешность не более 2 %), воз-

можностью измерения уровня агрессивных и вязких сред, широким

температурным диапазоном измерения (при небольших колебаниях

конкретной температуры). Недостатками этого способа измерении

уровня является наличие поплавка в резервуаре и трудности измере-

ния уровня в резервуарах под давлением.

Для измерения уровня жидких сред в резервуарах, находящихся

под избыточным или вакуумметрическим давлением, находят широкое

применение буйковые уровнемеры с дистанционной передачей данных

на щит контроля и регулирования технологическим процессом. Дейст-

вие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда, т.е. зависи-

мости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидко-

сти. В качестве чувствительного элемента в таких уровнемерах ис-

пользуется массивное тело (например, цилиндр) – буек 1, подвешенное

вертикально внутри сосуда и частично погруженное в жидкую среду

(рисунок 6.7). Буек закреплен на пружинной подвеске, которая дейст-

вует на буек с определенным уси-

лием. При увеличении уровня

жидкости на величину h от нуле-

вого положения сразу же возни-

кает выталкивающая сила, кото-

рая поднимает буек на величину l,

которая будет меньше h, т.к.

плотность буйка больше плотно-

сти жидкости. При подъеме буйка

произойдет сжатие пружины на

величину l и вся система придет в

новое состояние равновесия. Воз-

никающая дополнительная вы-

талкивающая сила, действующая

1 – буек; 2 – пружина; 3 – индукци-

онный преобразователь; 4 – измери-

тельный прибор

Рисунок 6.7 – Схема буйкового

уровнемера.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

206

на буек со стороны жидкости и уменьшенная со стороны газа, уравно-

весится силой сжатия пружины, что можно выразить следующим ра-

венством:

с⋅l =(h–l )⋅ρ

⋅g⋅F– (h–l )⋅ρ

⋅g⋅F,(6.11)

где с – коэффициент жесткости пружины;

, ρ

- плотность жидкости и газа;

F – площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда величина уровня жидкости в резервуаре определяется:













ρ−ρ

⋅⋅

гж

Fgc

1h l .(6.12)

Если величины c, g, F, ρ

, ρ

(находящиеся в скобках) не изменя-

ются в процессе измерения, то обозначив эту часть уравнения через

постоянную величину "К", получим:

h=k⋅l (6.13)

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнеме-

ра линейна, а чувствительность этого метода может быть увеличена за

счет увеличения площади сечения буйка "F" или уменьшения жестко-

сти пружины "с".

Погрешность измерения уровня буйковым уровнемером, как

видно из уравнения (6.11), может возникнуть за счет изменения вели-

чин c, g, F, ρ

, ρ

. Так, при изменении температуры жидкости и давле-

ния газовой среды в резервуаре, заметно изменяются плотности ρ

, ρ

В этом случае в уравнение (6.11) вводятся поправки, рассчитанные по

изменению плотностей жидкости и газа при известной температуре и

давлении в резервуаре.

Буйковые уровнемеры позволяют измерять уровень в резервуарах с

температурой жидкости до 400 °С и находящейся под давлением до 10

МПа. Выпускаемые уровнемеры, имеющие класс точности 1 и 1,5, изго-

тавливаются с различными размерами (диаметром и длинной) буйка, по-

зволяющими измерять уровень в широких пределах от 0-0,04 до 0 – 16 м.

6.5 Емкостные уровнемеры

Действия емкостного уровнемера основано на изменении элек-

трической емкости конденсатора, находящегося в жидкой среде, при

изменении уровня жидкости в резервуаре.

Конденсатор, преобразующий изменение уровня жидкости в про-

порциональное изменение емкости, представляет собой два коаксиаль-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

207

но расположенных цилиндра, образующих два электрода конденсатора.

Конструктивное выполнение конденсатора зависит от электропроводя-

щих свойств жидкости. Принципиальное различие состоит в том, что

один из электродов конденсатора для измерения уровня электропро-

водных жидкостей покрывается электрической изоляцией, а электроды

конденсатора для неэлектропроводных жидкостей не изолируют.

В схемах емкостного уровнемера для неэлектропроводных жид-

костей электроды выполняются цилиндрического или пластинчатого

типа, а также в виде жесткого стержня или троса. В последнем случае

вторым электродом служит металлическая стенка резервуара. На ри-

сунке 6.8 показана схема устройства емкостного уровнемера, выпол-

ненного в виде цилиндрического конденсатора из двух коаксиально

расположенных стальных труб 2 и 3, помещенных в резервуар 1, в ко-

тором производится измерение уровня. Общая емкость конденсатора

будет определяться суммой емкостей двух частей конденсатора, рас-

положенных одна в жидкой, а другая в газовой средах резервуара.

Емкость части цилинд-

рического конденсатора,

расположенного в жидкой

среде, определяется по

формуле:

ж0

πε

= .(6.14)

Для части конденстора,

находящегося в газовой

среде, емкость определяется

по аналогичной формуле:

г0

h)-(Н2

πε

= (6.15)

Суммарная емкость будет равна:

С=С

+С

[]

Н)(h

ггж

ε+ε−ε

πε

(6.16)

Таким образом, емкость конденсатора однозначно зависит от из-

меряемого уровня h при неизменяемых значениях остальных величин,

входящих в формулу 6.16. Однако, в рабочих условиях диэлектриче-

1 – резервуар; 2 – внешний электрод;

3 – внутренний электрод; 4 - изолятор

Рисунок 6.8 – Схема емкостного уровне-

мера для неэлектропроводной жидкости

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

208

ская проницаемость жидкости ε

зависит от изменения температуры,

давления и состава жидкой среды, что часто встречается на практике.

Изменением этой же величины (ε

) для газовой и паровой среды мож-

но пренебречь, т.к. для большинства газов и паров относительная ди-

электрическая проницаемость незначительно отличается от единицы.

Отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывают

активные сопротивления как изолятора 4, так и контролируемой жид-

кости в межэлектродном пространстве.

Для повышения точности измерения уровня емкостными уровне-

мерами в схемах используется дополнительный компенсационный

конденсатор, располагаемый в жидкой среде ниже основного конден-

сатора. Это позволяет автоматически вводить поправку в показания

уровнемера при отклонении ε

от значения, принятого при градуиров-

ке прибора. Уменьшение влияния активного сопротивления достига-

ется введением в электрическую схему фазового детектора, который

отфильтровывает сигнал помехи, создаваемый активным сопротивле-

нием.

В емкостных уровнемерах для измерения уровня электропровод-

ной жидкости один из электродов конденсатора выполняется в виде

изолированного стержня. Вторым электродом служат стенки металли-

ческого резервуара, в котором измеряют уровень жидкости. Если ре-

зервуар неметаллический, то в жидкость помещают металлический

неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости

конденсатора используются мостовые и резонансные схемы. Наиболее

простой является мостовая схема (рисунок 6.9), состоящая из двух вто-

ричных обмоток трансформатора (питаемого генератором Г), емкости

конденсатора находящегося в объекте (резервуаре), и подстроечного

конденсатора С

. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости в

резервуаре, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю.

При увеличении уровня емкость

конденсатора, находящегося в ре-

зервуаре, увеличивается и напря-

жение на входе усилителя возраста-

ет. Усиленный сигнал преобразует-

ся в унифицированный (0 – 100 мВ)

и измеряется вторичным прибором,

в качестве которого может быть

использован автоматический по-

тенциометр или миллиамперметр.

Рисунок 6.9 – Принципиальная

электрическая схема емкостного

уро

внемера

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

209

Диапазон измерения уровня емкостными уровнемерами зависит

от характеристики жидкости, типом конденсатора (как чувствительно-

го элемента), способом его установки на резервуаре и составляет от 1

до 20 м.

Емкостные уровнемеры нашли большое распространение из-за

простоты конструкции, отсутствия подвижных элементов, возможно-

сти использования в широком диапазоне температур жидкости (от –40

до +200 °С) и давлений (до 6 МПа). Недостатками таких уровнемеров

являются: непригодность для измерения уровня вязких сред (более 1

Па⋅с), пленкообразующих, кристаллизирующихся и выпадающих в

осадок жидкостей, а также высокую чувствительность к изменению

электрических свойств жидкости.

6.6 Индуктивные уровнемеры

Действие индуктивных уровнемеров основано на зависимости

индуктивности одиночной катушки (соленоида) или взаимной индук-

тивности двух катушек от глубины погружения их в электропровод-

ную жидкость. Под действием переменного магнитного поля катушки

индуктивности в жидкой среде создаются вихревые токи, магнитное

поле которых, по закону Ленца направлено навстречу магнитному по-

лю катушки. Т.е. результирующее магнитное поле будет меньше поля

не погруженной в жидкость катушки, т.е. индуктивность погруженной

катушки меньше индуктивности "сухой" катушки. Таким образом,

полное электрическое сопротивление, включая индуктивное, одиноч-

ной катушки будет однозначно определяться глубиной погружения ее

в жидкость, что позволяет определить уровень жидкой среды в изме-

ряемом объекте.

На практике большое распространение получили индуктивные

уровнемеры, содержащие две индуктивно связанные катушки, обра-

зующие трансформатор (рисунок 6.10). При изменении уровня изме-

няется индуктивность двух катушек, определяемая по формуле:

LLkM = ,(6.17)

где k – коэффициент связи;

и L

– индуктивности одной и второй катушек.

Выходное напряжение на выходе второй катушки равно:

21вхвых

LLkIU = .(6.18)

Измеряя U

вых

, можно определить значение уровня жидкой среды

в объекте.