ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Практическая работа 5  

Приборы для измерения параметров ХТП

Таблица 1 - Основные параметры технологического процесса и приборы КИПиА для контроля параметров.

Параметр	Единицы измерения	Приборы или группы приборов для контроля параметра		Характеристика групп приборов
Давление, (Р)	1 Па СИ 1 Кгс/м2 или 1 мм.вод.ст.; 1 Кгс/см2 или 1атм. (тех.атм); 1атм (физ. атм); 1 мм.рт.ст.; 1 бар.	По принципу действия: жидкостные, деформационные(пружинные),электрические(ман. сопротивления, пьезоэлектрические, теплопроводные, ионизационные);
		По роду измеряемой величины: манометры	Измерение абсолютного и избыточного давления
		вакуумметры	Измерение разрежения (вакуума)
		мановакуумметры	Измерение избыточного давления и вакуума
		напоромеры (микроманометры)	Измерение малых давлений
		тягомеры (микроманометры)	Измерение малых разрежений
		тягонапоромеры (микроманометры)	Измерение малых давлений и разрежений
		дифференциальные манометры	Измерение разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды
		барометры	Измерение атмосферного давления
Температура, (Т)	1 градус Кельвина; 1градус Кельвина = -273градуса Цельсия 1 градус Цельсия 1 градус Фаренгейта, 1шкала Реомюра, Шкала Ломоносова	Манометрические термометры (газовые, жидкостные, конденсационные)	Измерение давления рабочего вещества при постоянном объеме с изменением температуры
		Термоэлектрические термометры (термопары)	Использование зависимости термоЭДС от температуры
		Термометры сопротивления	С термопреобразователем сопротивления (использование зависимости электросопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры
		Пирометры излучения	Квазимонохроматический пирометр (зависимость температуры от спектральной энергетической яркости); Пирометры спектрального отношения; Пирометры полного излучения (зависимость температуры от яркости излучения
		Контактные термопреобразователи	Измерение температуры твердых тел и поверхностей
Объем, (V)	Литр; м3; Оз,	Мерные емкости, ведра, номинальная емкость аппаратов
		Уровнемеры, объемные счетчики
Количество, (m)	Количество выражается в единицах объема:м3, единицах массы– кг, т	Для твердых сыпучих тел – насыпная или объемная масса, автоматические дозаторы	Для твердых тел, жидкостей и газов
		Счетчики жидкости	Объемные, скоростные
		Счетчики газов	Ротационные счетчики
Расход, (Q)	м3/с, литры/ч (сек),	Стандартные сужающие устройства	Диафрагма, стандартные сопла
		Расходомеры динамического давления	Зависимость динамического давления (напора) от скорости потока контролируемой среды
		Расходомеры постоянного перепада давления	Ротаметры, поплавковые и поршневые расходомеры
		Расходомеры переменного перепада давления	Расход вязких жидкостей, нагретых газов, небольшие расходы, газовые смеси с высоким содержанием водорода
		Расходомеры переменного уровня	Зависимость уровня от расхода жидкости, поступающей в сосуд
		Бесконтактные расходомеры	Электромагнитные, ультразвуковые, калориметрические
Уровень, (Н)	см, дм, м	сыпучих тел	Уровнемеры широкого диапазона
	см, мм	жидкостей	Уровнемеры узкого диапазона: Визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, радиоизотопные, ультразвуковые
Концентрация, (С)	%, моль/л,   г-экв/л,г/л	Концентратомеры; результаты анализов
Плотность, (ρ)	Кг/м3	Ареометры лабораторные, Плотномеры	Поплавковые, весовые, гидростатические, вибрационные, радиоизотопные
Вязкость,	Па∙с, пуаз, м2/с, стокс,	Вискозиметры	Истечения (капиллярные), с падающим шариком, ротационные, вибрационные
Влажность, (W)	кг/м3, %	Влагомеры Методы измерения: психрометрический	Зависимость скорости испарения влаги от влажности окружающей среды - психрометр
		Метод точки росы	Определение температур - гигрометр
		Сорбционные методы	Влажность газа определяют по электрической проводимости ненасыщенных растворов электролитов – электролитические пьезосорбционные гигрометры
		Влажность твердых тел: метод высушивания	Взвешивание до и после сушки
		Экстракционный метод	Извлечение влаги из образца водопоглощающей жидкостью (спирт, диоксан)
		Химический метод	Извлечение воды с помощью реагентов (СаС2)
		Косвенные методы	Кондуктометрия, диэлькометрия, сверхчастотный метод
Состав смеси		газоанализаторы	Инфракр. ультраф. поглощения, термомагнитные и др

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

Измерительные устройствадля измерения уров­ня жидкостей можно подразделить:

а)    визуальные - простейшие измерители уров­ня жидкости - указательные стекла. Указательные стекла работают по принципу сообщающихся сосудов. Указа­тельное стекло соединено с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточ­ным давлением или разрежением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изме­нении уровня в сосуде.

Указательные стекла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. В арматуру ука­зательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закры­вающие каналы в головках при случайной поломке стекла. Не рекомендуется употреблять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося боль­ше, чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ после­дующего.

б)    поплавковые, в которых для измерения уровня использу­ется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости. Чувствительным элементом по­плавкового измерителя уровня является поплавок, плаваю­щий па поверхности жидкости. Поплавок уравнове­шивается грузом, который связан с поплавком гибким тро­сом. Положение груза относительно шкалы определяет уро­вень жидкости. Пределы измерения устанавливаются в соответствии с принятыми значениями уровней верхнего и нижне­го . Основной эксплуатационный недостаток поплавков —возможность корро­зии и протравление тонких стенок поплавка, приводящих к его потоплению. Это ограничивает область применения поплавковых измерителей уровня.

в)    гидростатические, основанные на принципе сообщающихся сосудов со средами одинаковой или различной плотности по сравнению с плотностью измеряемой среды. Простейшими  гидростатическими измерителями уровня жидкости являются дифференциальные манометры, дифманометры, которыми можно измерять уровень в открытых и закрытых сосудах, т. е. в сосудах, находящихся под давлением и разрежением.

При использовании дифманометров для измерения уровня обязательно применяется уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня той же жидкостью, что в резервуаре. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение постоянного столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра изменяется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значению уровня в резервуаре соответствует определенный перепад давления, что позволяет по величине перепада, показываемого дифманометром, судить о положении уровня.

г) радиоизотопные, основанные на сравнении интенсив­ностей двух потоков ядерных излучений (γ-лучей), проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Уровнемеры с радиоизотопны­ми излучателями делятся на две группы:

 1) со следящей систе­мой, для непрерывного измерения уровня,

 2) сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения. Комплект прибора состоит из трех блоков:

- преобразова­теля, включающего в себя источник и приемник излучения,

- электронного блока

- показывающего прибора.

Преобразователь 1 на фланцах4  присоединен к вертикаль­ным трубкам 2 , установленным внутри объекта измерения. Рас­положенный в герметичном корпусе преобразователя реверсив­ный двигатель 6 через червячную передачу 7 вращает бара­бан 8, на котором укреплена стальная лента 3. На концах лен­ты свободно висят источник излучения 1 и приемник излуче­ния 13. Электрический сигнал от приемника излучения через гибкий кабель 11, который при перемещении приемника фикси­руется в определенном положении при помощи ролика 14 с грузом, передается на электронный блок 11. Лента 3 проходит через зубчатый ролик 9, на оси которого расположен первич­ный сельсин 10.

Рис. 1. Схема радиоизотопного уровнемера со следящей системой.

Рис. 2. Блок-схема ультразвукового уровнемера:

1 и 2 — генераторы; 3 — пьезоэлектрический излучатель; 4— усилитель; 5 — измеритель времени; 6 — вторичный прибор.

Вторичный сельсин находится в показывающем приборе. Ось вторичного сельсина через редуктор связан со стрелками показывающего прибора 12, который имеет две шкалы, градуи­рованные в метрах и сантиметрах. В показывающем приборе имеется преобразователь, преобразующий угловое перемещение оси вторичного сельсина, пропорциональное положению уровня. в стандартный пневматический сигнал. Стандартная индукционная катушка служит для связи со вторичными приборами диф­ференциально-трансформаторной системы.

Для обеспечения радиационной защиты персонала при транспортировке, монтаже, ремонтных работах внутри объекта измерения источник излучения перемещается автоматически в свинцовый контейнер 5. Отверстие в контейнере при этом за­крывается свинцовой пробкой 15, жестко связанной с источни­ком. Диапазон измерения уровня прибором до 10 м; основная погрешность измерения не превышает 1 см.

Особенно многочисленна группа сигнализаторов отклонения уровня, что обусловлено простотой их конструкции. В ряде случаев на базе этих сигнализаторов реализуется позиционное регулирование уровня. В качестве источников излучения в этих приборах применяют γ- и β-излучение. Приемниками во всех сигнализаторах служат галогенные газовые счетчики различных типов (высоковольтные и низковольтные).

Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесообразно тех случаях, когда другие методы измерения непригодны.

д)    электрические, в которых для измерения уровня исполь­зуются электрические параметры, величины которых зависят от уровня жидкости. В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наибольшее распространение получили емкостные и омические.

Действие емкостных уровнемеров основано на отличии диэлектрической проницаемости к водных растворов солей, кислот и щелочей от диэлектрической прони­цаемости воздуха либо водных паров. Свойство среды опреде­ляет своеобразие метода и измерительной схемы.

В рассматриваемых приборах с изменением уровня изменя­ется либо степень заполнения первичного преобразователя рас­твором, либо глубина погружения одного или двух электродов. В зависимости от свойств среды и условий измерения измене­нием частоты питающего напряжения можно усиливать или уменьшать влияние емкостной составляющей или активного со­противления на результаты измерения. Оптимальная область частот, обеспечивающая наилучшее соотношение между реак­тивной и активной составляющими комплексного сопротивле­ния первичного преобразователя, для большинства проводящих и непроводящих сред составляет 10⁴—10⁵ Гц.

Принято среды с проводимостью σ>10^-5 См/м относить к проводящим (электропроводным), а среды с проводимостью σ <10^-7 См к непроводящим (электропроводным). Известно, что неполярные жидкости (е=2—2,5) имеют плохую проводи­мость, а сильнополяриые (е>10) —хорошую.

Для контроля уровня проводящих и непроводящих жидко­стей могут быть применены устройства, различающиеся в основ­ном первичными преобразователями.

Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис. 5.8. В сосуд с жидкостью 1, уровень которой необходимо измерять, опущен электрод 2, покрытый изоляционным мате­риалом. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилинд­рический конденсатор, емкость которого изменяется при коле­баниях уровня жидкости. Величина емкости измеряется элект­ронным блоком 3, который затем дает сигнал в блок 4, пред­ставляющий собой релейный элемент в схемах сигнализации достижения определенного уровня или указывающий прибор в схемах измерения уровня.

 Рис. 3. Емкостный уровнемер.

е)   ультразвуковые, основанные на принципе отражения зву­ковых волн. Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерять уровень в отсутствие контакта с измеряе­мой средой и в труднодоступных местах. Ультразвуковые уров­немеры основаны на принципе отражения звуковых волн от границы раздела жидкость —- газ (воздух). Прибор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излучателя (пре­образователя) и вторичного прибора (автоматического потен­циометра) .

Уровень жидкости в резервуаре определяется по времени запаздывания отраженного сигнала относительно посланного.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Характерным отличием сыпучих тел от жидких является не­пропорциональность передачи давления на дно и стенки в за­висимости от уровня расположения этих тел. Если свободно насыпать сыпучие тела, то образуются откосы, что является следствием трения и некоторого сцепления между частицами. Крутизна откоса тем выше, чем больше трение и сцепление между частицами сыпучего тела. Это свойство сыпучих тел необходимо учитывать при размещении приборов измерения уровня и подсчете количества материалов в емкости. Для подсчета количества сыпучего материала в емкости важно знать его объемный и удельный веса, а также влажность.

Некоторые сыпучие тела при длительном хранении в бунке­рах, и других емкостях теряют подвижность частиц. Свойство сыпучих тел терять подвижность называется слёживаемостью. Другим вредным - свойством сыпучих тел является липкость, т. е. способность некоторых сыпучих тел прилипать к твердым телам. Липкостью обладают в основном пылевидные и порош­кообразные фракции сыпучего тела, главным образом, во влаж­ном состоянии.

При контактных методах измерения уровня сыпучего тела, когда чувствительный элемент находится в толще этого тела, важно учитывать также и абразивность материала, т. е. его способность истирать соприкасающиеся с ним поверхности при относительном перемещении. Следует учитывать также способ­ность сыпучих тел, вызывать коррозию соприкасающихся с пи-ми материалов. Наиболее опасными в этом отношении являют­ся селитра, сера, сода, соли, зола. Некоторые мелко измельчен­ные сыпучие тела, находящиеся в емкости в виде взвешенной в воздухе пыли, характеризуются повышенной воспламеняе­мостью. Пыль нередко бывает токопроводящей. Вредным фак­тором, влияющим на показания указателей нижнего уровня, является образование свода из сыпучих тел над выпускным отверстием.

Указатели предельного уровня сыпучих материалов. Во мно­гих случаях для проведения технологического процесса не тре­буются сведения об истинном уровне заполнения бункера. Необходим лишь контроль верхнего и нижнего уровней сыпучего тела.

Свойство сыпучих тел создавать давление на дно и стенки со­суда использовано в конструкции мембранных указателей уров­ня. Применительно к сыпучим телам мембранные приборы яв­ляются указателями только предельного уровня. Это объясня­ется отсутствием точного соответствия веса столба насыпного продукта его давлению на дно и стенки сосуда. Давление в этом случае является функцией формы емкости, коэффициента внутреннего трения и коэффициента трения сыпучих тел о стен­ки сосуда.

На рис.4. показан указатель уровня с металлической мембраной I. При прогибе мембраны закрепленный по центру шток 2 воздействует на контактное устройство 3. На кронштей­не 4 закреплена возвратная пружина 5. Для регулировки на­тяга возвратной пружины имеется винт 6. Изолятор 7 крепит­ся в корпусе сигнализатора 8. При понижении уровня возврат­ная пружина 5 возвращает мембрану и контактное устройство в исходное положение.

Свойство сыпучих материалов образовывать при насыпании угол естественного откоса позволило создать серию маятнико­вых приборов, принцип работы которых основан на отклонении материалом чувствительного элемента, выполняемого в виде маятника, с жесткой или гибкой подвеской. На рис. 5.14 пока­зан указатель предельного уровня сыпучего материала. При повышении в бункере 1 уровня сыпучего материала 2 чувстви­тельный элемент 3 отклоняется от вертикального положения и замыкает контактную систему 4 включения световой сигнали­зации 5. Общим недостатком всех указателей уровня маятнико­вого типа является их зависимость от способа загрузки сосуда (бункера) материалом. Например, при беспорядочной загрузке, когда материал может обтекать маятник со всех сторон, мо­жет не произойти ожидаемого отклонения маятника.

Рис. 4 Указатель уровня маятникового типа

Маятниковые указатели часто не обеспечивают срабатыва­ние сигнализации вследствие образования подпора со стороны, противоположной стороне загрузки, налипания материала на стенки сосуда, образования свода, налипания материала на участке между маятником и местом шарнирной подвески.

Указатели уровня, использующие электрические свойства измеряемой среды и бункера, называют контактными. При из­мерении уровня электропроводных сыпучих тел последние мож-- но использовать как токопровод. Указатель уровня в этом слу­чае будет представлять собой простой контакт в виде двух про­водников, установленных в бункере на необходимом уровне и замыкаемых при достижении материалом этого уровня.

При этом через материал пропускают слабый электрический ток, безопасный для обслуживающего персонала. Для управле­ния сигнальной цепью или цепью исполнительного механизма этот импульс тока необходимо предварительно усилить.

Более часто применяют емкостные сигнализаторы, основан­ные на изменении диэлектрической постоянной пространства бункера в зависимости от находящегося в нем сыпучего тела. В качестве первичного преобразователя служит электрод— стержень, представляющий собой одну из обкладок конденса­тора, второй обкладкой является сам бункер. Работа подобных уровнемеров рассмотрена выше. Емкостные указатели уровня выпускаются серийно под маркой ЭСУ.

Приборы для непрерывного измерения уровня сыпучих тел. Существуют технологические процессы, при которых недоста­точно контролировать только предельные уровни заполнения емкости, а необходимо периодически или постоянно следить за уровнем.

Для этих целей наиболее широко применяют поплавковые, лотовые и весовые уровнемеры. Менее распространены уровне­меры, основанные на торможении материалом крыльчатки, электрические (емкостные), радиоизотопные. Наиболее перспек­тивны электрические (емкостные) приборы. Поплавковые уров­немеры имеют наиболее простую конструкцию.

Для измерения уровня сыпучих тел с большим удельным ве­сом применяют лотовые и поплавковые уровнемеры.

Рис. 5. Принципиальная схема лотового уровнемера.

Принципиальная схема лотового уровнемера показана на рис. 5. В этих уровнемерах зонд 6 и груз 8 подвешены на блоке храпового колеса 4. Периодически зонд приподнимается при помощи пневматического мембранного привода 2. Привод воздействует на храповое колесо через собачку 3. Зонд опуска­ется на поверхность сыпучего материала 7 под действием силы тяжести.

Если уровень не изменяется, то зонд поднимается и опуска­ется на одно и то же расстояние. При понижении уровня мате­риала зонд опускается на большее расстояние, чем поднимается и наоборот. При этом храповое колесо в одном направлении будет поворачиваться на больший угол, чем при повороте в об­ратном направлении. На оси 5 храпового колеса имеется ходо­вой винт с муфтой 10, преобразующий вращательное движение оси в возвратно-поступательное движение поводка 11, закреп­ленного на муфте 10. Поводок 11 воздействует на шток пневмопреобразователя 12. Устройство прибора рассчитано таким об­разом, что при изменении уровня в заданных пределах муфта 10, а следовательно и поводок 11 перемещаются на расстояние, равное полному ходу штока пневмопреобразователя 12, обеспечивая тзменение давления сжатого воздуха на выходе от 20 до 100 кПа. Сжатый воздух с выхода пневмопреобразователя 12 подается на вторичный прибор (манометр) 9, шкала которого отградуирована в единицах высоты уровня.

Рис. 6. Электрическая схема указателя уровня весового типа с магнито-упругим преобразователем: 1 - магнитоупругий преобразователь: 2 -компенсирующий преобразователь;  

3 — выпря­митель; 4 — стабилизатор напряжения; 5 — гальванометр.

Рис. 7. Пневматический уровнемер ПУС-1800.

Разновидностью весового уровнемера являются приборы с магнптпоупругими преобразователями, которые устанавливают под опорными колонками бункера. Действие преобразователей основано на изменении магнитной проницаемости стали или другого материала при упругой механической деформации.

Чтобы измерить уровень (точнее массу), находившегося в бункере материала, необходимо обмотки преобразователей включить последовательно, при этом должно быть образовано одно плечо измерительного моста (рис.6.).

В соседнее плечо включают компенсирующий преобразова­тель. Два других плеча выполняют в виде проволочных рези­сторов, позволяющих осуществлять балансировку и регулиров­ку моста. В схеме, приведенной на рис. 6, в качестве измери­тельного прибора используется миллиамперметр или логометр. Эти приборы имеют погрешность ±5%.