ГІДРОСТАТИЧНІ ТА П’ЄЗОМЕТРИЧНІ РІВНЕМІРИ.

Принцип дії гідростатичних рівнемірів грунтується на вимірюванні гідростатичного тиску стовпа рідини на дно резервуара, який залежить від висоти її рівня. Загальне рівняння для тиску Р стовпа рідини та відповідно висота Н рівня рідини в резервуарі, мають вигляд:

Р = r* g *Н [Па], (6.1) , (6.2)

де - густина рідини, кг/м ; Н – висота стовпа рідини (рівень), м; g – прискорення вільного падіння, м/с .

За способом вимірювання гідростатичні рівнеміри діляться на прилади з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини манометром (М) (рис. 6.2,а) та п'єзометричні - з безперервним продуванням повітря (рис. 6.2,б).

Рівнеміри з безпосереднім вимірюванням стовпа рідини використовують для вимірювання рівня неагресивних, незабруднених рідин, які знаходяться під атмосферним тиском або робочим тиском в комплекті з дифманометром. До таких приладів відноситься, наприклад,перетворювач тиску KPT-C.

Перетворювач KPT-C призначений для вимірювання надлишкового тиску нейтральних до титану середовищ (газу, пари, рідини) і здійснює безперервне пропорційне перетворення вимірюваного тиску в уніфікований вихідний сигнал постійного струму, який використовується в якості вхідного у вторинних приладах. Перетворювач КРТ-С має вбудований тензодатчик (див. розділ 5.3).

Основні технічні та метрологічні характеристики КРТ-С:

1. Робочий в діапазон температур від мінус 45 до плюс 80 °С і відносній вологості 98 % при 25 °С.

2. Вимірюване середовище - рідини, що не кристалізуються, гази й насичені пари в діапазонах температур від мінус 45до плюс 120 °С .

3. Верхні межі вимірюваного тиску й граничні тиски перевантаження (зазначені в дужках):0,25(0,5);0,6(1,2); 1,0(2,0); 1,6(3,2); 2,5(5,0); 4,0(8,0); 6,0(12); 10(20); 16(32); 25(50); 40(70); 60 (90); 100 (125) Мпа.

4. Межі допустимої основної похибки g, виражені у відсотках від діапазону вимірювання або від діапазону зміни вихідного сигналу ± 0,5; ±1,0.

5. Варіація вихідного сигналу - не більше 0,5 | g |.

6. Додаткова похибка перетворювачів, викликана зміною температури навколишнього повітря або вимірюваного середовища, виражена у відсотках на кожні 10 °С, не більше: ± 0,45 — для перетворювачів з | g |= 0,5 %; та

± 0,6 — для перетворювачів з | g |= 1 %;

7. Вихідний сигнал постійного струму — 4-20 мА.

8. Електричне живлення — від джерела живлення постійного струму напругою від 9,6 до 40 В.

Для вимірювання рівня агрессивных середдовищ, використовують спеціальні розподільчі пристрої для підведення тиску до манометра. В більшості метод безпосереднього вимірювання тиску стовпа рідини застосовується для вимірювання рівня речовин в ємностях, які знаходяться під тиском.

Різновидом гідростатичних рівнемірів є п’єзометричні (рис. 6.2.б) – рівне-

міри, принцип дії яких грунтується на перетворенні гідростатичного тиску рідини в тиск повітря, що надходить від стороннього джерела та постійно продувається (барботується) через шар рідини. У цього рівнеміра чутливий элемент не знаходиться в безпосередньому контакті с вимірюваним середовищем, а сприймає гідростатичний тиск рідини через тиск повітря, что є суттєвим його достоінством. Для п’єзометричних рівнемірів також характерна похибка вимірювання, що виникає при зміні густини визмірюваного середовища.

У п’єзометричному рівнемірі (рис. 6.2,б) стиснене повітря крізь дросель (регулятор тиску) 1 та пристій (стакан) візуального контролю 2 подається у відкриту з одного кінця п'єзометричну трубку З, занурену майже до дна резервуару 5. Тиск повітря в п'єзометричній трубці зумовлюється протитиском стовпчика рідини і дорівнює йому. Тому тиск повітря, що вимірюється манометром 4,

характеризує рівень рідини в резервуарі.

П’єзометричні рівнеміри відносяться до пневматичних приладів і в якості джерела енергії використовується стиснене повітря (Р 140 кПа), яке подається від компресора, як правило, через фільтр, що забезпечує очищення повітря. Величина тиску повітря, яке безперервно продувається через п'єзометричну трубку, встановлюється дроселем (регулятор) 1 і контролюється манометром 4.

Регулятор 1 призначений: по-перше, для створення самої вимірювальної камери, під якою у пневматиці розуміють простір між соплом (отвором) регулятора 1, через яке нагнітається повітря (його ще називають вхідним або основним отвором) та вихідним отвором п’єзометричної трубки, через який проходить витікання повітря; по-друге, для регулювання та підтримування стабільності подачі тиску повітря, що надходить у вимірювальну камеру. В п’єзометричних системах для продування через п’єзотрубку дозованої витрати повітря, найбіш часто використовують регулятори витрати повітря типу РРВ-1. Принцип дії цього регулятора грунтується на автоматичному підтримуванні постійного перепаду тиску на дроселі 1, в результаті чого забезпечується постійна витрата повітря через цей дросель.

У випадку, коли вимірюваний рівень рідини в резервуарі знаходиться під надлишковим тиском, то тиск повітря живлення Р на виході регулятора 1, що подає повітря у п’єзотрубку, повинен бути:

, (6.3)

где Р – надлишковий тиск, кПа; Н * *g – максимальний гідростатч-ний тиск стовпа рідини, кПа.

Необхідною умовою надійної роботи п’єзометричних рівнемірів є два моменти: 1) встановлення такого тиску газу в у вимірювальній пневматичній камері, при якому бульбашки газу, що проходять через рідину та у стакані візуального спостереження, проходили би з розривом на всьому діапазоні вимірювань рівня; 2) п’єзотрубка не повинна доходити до дна резервуара на 80мм.

Витрати повітря встановлюються мінімально можливими для максимально можливого рівня рідини, с тим щоб перепад тиску на п’єзотрубці був якомога меншим, так як це визначає похибку вимірювання п’єзометричним методом.

Як правило, витрати повітря таких приладів складають 0.1 – 0.2 м³/год.

Подібні прилади, наприклад, ПТЕ-4 використовуватися для вимірювання рівня агресивних та забруднених рідин, рідин, що швидко кристалізуються, а також в щілинних витратомірах. Прилади забезпечують точність вимірювання в межах 1,5 – 2,5 % від діапазону вимірювання.

ЄМНІСНІ РІВНЕМІРИ

У ємнісних рівнемірах використовуються діелектричні властивості рідин. Первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) ємнісного рівнеміра (рис. 6.4) являє собою електричний конденсатор, який перетворює зміну рівня рідини на пропорційне змінювання ємності. ПВП являє собою електрод або електроди (ціліндричні або у виглялі пластин), що опускаються у вимірюване за рівнем середовище.

Принцип ємнісних ПВП грунтується на різниці між діэлектричною проникністю рідини та повітря і відповідно на залежності електричної ємності датчи­ка від зміни рівня рідини або сипкого матеріалу постійної вологості. Для кожного значення рівня, ємність датчика визначається як ємність двох пара­лельно з’єднаних конденсаторів, один з яких утворюється частиною елект­родів перетворювача і рідиною, рівень якої вимірюється, а другий — іншою частиною електродів перетворювача і повітрям або парою рідини.

Ємнісний рівнемір (рис.6.4) складається з ПВП 1, що опускається у вимірюване середовище, проводів 2 з’єднання, вимірювального блоку 3 і показуючого

або самописного приладу 4.

Ємність перетворювача, що має постійну по висоті форму електродів (у Ф):

С = eG₀h + e₀G₀ ( l-h) = [(e_r - 1) h + 1) e₀G₀, (6.4)

де e = e_re₀— абсолютна діелектрична проникність матеріалу, Ф/м; G₀ - стала провідності системи електродів, яка залежить від їхньої геометрії; h — глибина занурення електрода в матеріал, м; l — повна довжина електродів, м.

Для неелектропровідних матеріалів застосовуються неізольовані електроди у вигляді стержня, двох коаксіальних циліндрів або паралельних пластин. Для електропровідних матеріалів електроди покриваються шаром ізоляції, частіше всього фторопластом. Електроди включаються в мостову схему або коливальний контур генератора високої частоти. Зміна рівня вимірюваного середовища приводить до зміни ємності у міжелектродному просторі датчика, що для пластинчатого перетворювача викликає зміну його ємності за формулою:

С = [0,088b/a] [e_жh+ e (H- h)],(6.5)

де b - ширина пластини перетворювача, м; а — відстань, між пластинами, м; e_ж -діелектрична проникність рідини; h — вимірювана висота рівня, м; e_ср — діелектрична проникність середовища (для повітря e_в=1); Н — висота (довжина) пластин, м.

Ємнісні сигналізатори рівня по конструкції, простіші ємнісних рівнемірів і являють собою ємнісні реле, що спрацьовують при підході рівня середовища до електрода (або при його зануренні в середовище).