Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

дозволяють, у якості загального електрода використовують металевий корпус резервуара 6. Вимірювальне електричне коло замикається при підвищенні рівня в момент торкання електропровідною рідиною (сипучим матеріалом) електрода-приймача й розмикається при розриві цього контакту зі зниженням рівня. При цьому електронний блок сигналізатора за допомогою вбудованих реле виробляє відповідні вихідні сигнали.

Кількість електродів (від 2 до 4) визначається типом сигналізатора рівня. Наприклад, сигналізатор типу САУ-6 фірми ОВЕН передбачає підключення чотирьох електродів: один загальний, три інші призначені для установки мінімального, максимального й нормального рівнів в ємності. Передбачене настроювання чутливості сигналізатора для рідин з різною електропровідністю. Точність спрацьовування визначається величиною поверхневого натягу вимірюваної рідини й для водяних розчинів становить 1-2 мм. Кондуктометричні ЗВТ характеризуються надійністю і низькою ціною.

11.5. Ємнісні ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів

Ємнісні (діэлькометричні) індикатори й сигналізатори через свою простоту й надійність знайшли широке застосування в харчових виробництвах для вимірювання рівня неелектропровідних рідин і сипучих матеріалів.

Дія цих ЗВТ засноване на тому, що значення ємності електричного конденсатора пропорційно діелектричної проникності середовища між його обкладинками.

Однією обкладкою конденсатора служить стрижневий або вертикально натягнутий у резервуарі тросовий електрод, не ізольований або у фторопластовій ізоляції. У якості другої обкладки використовують корпус резервуара.

Значення ємності такого конденсатора дуже чутливе до рівня рідкого або сипучого матеріалу в резервуарі, тому що його діелектрична проникність у десятки разів вища, ніж у газового середовища, що заміщається між обкладинками при збільшенні рівня.

Звичайно ємнісний ПП рівня складається із вимірювального електрода, установлюваного в резервуарі, і схеми попереднього перетворення. При цьому, нормуючий чи сигналізуючий перетворю-

вач, що виробляє відповідний вихідний сигнал, монтується в корпусі ПП або входить до комплекту ЗВТ у вигляді окремого блоку. Діапазони вимірювання і клас точності (0.5, 1.0 або 1.5) звичайно задаються користувачем.

11.6. Вібраційні ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів

Останнім часом широке застосування знаходять компактні вібраційні сигналізатори рівня рідини і сипучих матеріалів. Вібраційні сигналізатори, наприклад, типу Vegaswing фірми «VEGA», один з яких показаний на рис. 11.3, дозволяють із точністю до 1-2 мм сигналізувати рівень різних середовищ у резервуарах. На їхню похибку вимірювання не впливають тиск, температура, піна й утворювання міхурів.

Рис. 11.3. Вібраційний сигналізатор рівня типу Vegaswing-60

Чутливим елементом тут служить вилка 1 з нержавіючої сталі. П’єзовібратор 2, що працює на основі зворотного п’єзоефекту, забезпечує вібрацію вилки на частоті її резонансу. При зіткненні із матеріалом, що заповнює резервуар, частота вилки знижується і електричний опір кристала п’єзоелектрика змінюється (див. §7.5). Відповідно до цього вбудований у корпус 3 ПП, проміжний вимірювальний перетворювач 4 виробляє вихідний релейний сигнал на перемикання ланцюгів сигналізації або керування.

11.7. Акустичні й ультразвукові ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів

Ультразвукові ЗВТ (сонари) рівня свої сигнали ультразвукового діапазона направляють у робочому середовищі до границі розподілу середовищ — рівня рідини або сипучого матеріалу в резервуарі. За часом проходження прямого і відбитого сигналів встановлюють відстань від джерела ультразвукових коливань до шуканого рівня.

Ці ЗВТ містять п’єзокерамічний перетворювач, керований мікропроцесорним контролером і працюючий поперемінно в режимах прямого й зворотного п’єзоефектів (див. §7.5). У відповідності з цим п’єзоелемент виробляє сигнали, які направляються до поверхні розподілу середовищ і після відбиття від неї вертаються назад, де після перемикання режиму їх сприймає той же п’єзоелемент. Мікропроцесор по амплітуді або здвигу фази відбитого сигналу щодо випромінюваногорозраховуєповнийчаспроходженняультразвукових коливань, по яких потім визначає відстань від п’єзоелемента до границі розподілу середовищ — рівня в резервуарі.

Слід зазначити, що результати вимірювання ультразвуковими ЗВТ залежать від температури, густини й однорідності середовища поширення ультразвукових коливань. Швидкість поширення коливань у середовищі міняється залежно від її температури. Тому для температурної компенсації похибки вимірювання в ультразвукові ЗВТ рівня вбудовують ПП температури. Пил, пара, дим і інше поглинають звукові хвилі. У середовищі неоднорідного матеріалу, наприклад, зерна, борошна, або киплячої води, хвилі відбиваються від кожної окремої його часточки, що також не дозволяє застосовувати такі ЗВТ з боку цього матеріалу.

Якщо вимірювання проводиться в газовому середовищі, ЗВТ рівня часто називають акустичними й застосовують для контролю рівня рідин і сипучих матеріалів. При вимірюванні рівня в рідинному середовищі такі ЗВТ називають ультразвуковими. Акустичні і ультразвукові ЗВТ рівня поки характеризуються відносно високою ціною.

У простих умовах, коли забезпечується гарне проходження, відбиття й приймання звукових хвиль, точність вимірювання ЗВТ, наприклад Vegason-50 фірми «VEGA», становить 5 мм. У важких умовах точність погіршується до 20…25 мм.

12. ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТ І КІЛЬКОСТІ РІДИН ТА ГАЗІВ

Вимірювання витрати рідини, газу й сипучих матеріалів відіграє важливу роль при автоматизації харчових виробництв.

Розрізняють масові FМ (кг/с) і об’ємні F0 (м3/с) витрати. Об’ємні витрати визначають як добуток вимірюваної швидкості V (м/с) потоку рідини або газу на відому площу S, м2 поперечного перерізу трубопроводу:

Масові витрати через густину виміряного середовища ρ (кг/м3) пов’язані з об’ємними витратами так:

Відповідно до цього розрізняють об’ємні і масові витратоміри — безшкальні, що показують, із додатковими перетворювачами або без них.

Лічильниками кількості називають витратоміри із вбудованим підсумовуючим механічним або електронним інтегратором результатів вимірювання. Ці лічильники вимірюють кількість рідини, газу або сипучого матеріалу, що пройшов крізь ЗВТ за певний час, наприклад, з моменту пуску його в експлуатацію і до даного часу.

Сьогодні поряд із традиційними широко впроваджуються сучасні ЗВТ витрат, створені на основі нових технологій. Велика різноманітність ЗВТ витрат вимагає при цьому знання основних методів і засобів вимірювання для правильного їхнього вибору.

Провідні виробники засобів вимірювання витрат, такі як «АкваУкраїна», «Вимірювальні технології» (Україна), Метран (Росія), Siemens і АВВ (Німеччина), Danfoss і Kamstrap (Данія), Aswega (Латвія) та інші пропонують свої витратоміри й лічильники кількості рідини й газу.

12.1. Витратоміри змінного перепаду тиску

Метод змінного перепаду тиску при вимірюванні витрат заснований на залежності перепаду тиску на гідравлічному опорі (звужуючому пристрої) в трубопроводі від величини об’ємних F0 або масових FМ витрат рідини або газу:

(12.3)

де α — коефіцієнт витрати; ε — коефіцієнт, що характеризує зміну густини ρ стиснутого середовища в звужуючому пристрої (для рідини ε = 1); S0 — площа умовного проходу звужуючого пристрою; P1 — тиск середовища до й P2 — після звужуючого пристрою.

Характер потоку й розподіл статичного тиску при установці в трубопроводі діафрагми показаний на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Характер потоку й зміна статичного тиску при встановленні звужуючого пристрою в трубопроводі

Діафрагма являє собою тонкий диск із отвором круглого перетину, центр якого лежить на осі труби. Звуження потоку починається до діафрагми і на деякій відстані від неї потік досягає мінімального перетину. Потім потік поступово розширюється.

У кутах за діафрагмою утворюються зони вихроутворення, на яке втрачається значна частина енергії потоку, в якому падає при цьому

тиск Р = Р1 — Р2.

Для створення нормованих гідравлічних опорів у трубопроводах установлюють стандартні (нормальні) звужуючі пристрої, які розраховують по затвердженій Держстандартом методиці і виготовля-

ють за відповідними НТД (нормалями). При цьому після свого виготовлення вони не вимагають градуювання й можуть бути відразу використані для вимірювання витрат.

До стандартних звужуючих пристроїв, показаних на рис. 12.2, відносять діафрагми, сопло і сопло Вентурі.

Рис. 12.2. Стандартні звужуючі пристрої: а) діафрагма безкамерна;

б) діафрагма камерна; в) сопло г) сопло Вентурі

Стандартні діафрагми являють собою тонкий диск із круглим отвором у центрі, установлюваний в трубопроводі діаметра D. Товщина диску не повинна перевищувати 0.05 D. Центральний отвір діафрагми може бути циліндричним повністю або на 1/3 товщини з конічним розширенням до виходу потоку. Вхідний отвір повинен мати прямокутну крайку, гострота якої впливає на результат вимірювання.

Відбір тисків до й після діафрагми здійснюють за допомогою окремих отворів (рис. 12.2 а) або кільцевих камер (рис. 12.2 б), кожна з яких з’єднана із внутрішньою порожниною трубопроводу рівномірно розташованими по колу прямокутними отворами. Кільцеві камери усереднюють значення тиску в площині відбору. По цьому камерні діафрагми типу ДК забезпечують точніший відбір тиску, ніж безкамерні, особливо при несиметричності епюрі швидкостей у трубопроводі.

Стандартне сопло має плавне сполучення дуг радіусами r1= 0.2d і r2 = 0.3d, а дуга, проведена радіусом r2 сполучається з вихідною частиною сопла діаметра d. На виході циліндрична частина отвору закінчується розточенням, що охороняє вихідну крайку від ушкоджень.

Сопла Вентурі у передній частині не відрізняється від стандартного сопла і може бути із довгим (нижня частина рис. 12.2 г) або

коротким (верхня частина рис. 12.2 г) дифузором (конусом). Довгий дифузор на виході має той же діаметр, що й трубопровід. Відбір тисків тут роблять за допомогою кільцевих камер.

Шорсткість стандартних звужуючих пристроїв, що впливає на результат вимірювання, визначається нормованою чистотою обробки їх поверхонь.

Витрати енергії на перекачування вимірюваного середовища крізь звужуючий пристрій визначаються втратою тиску на ньому. Якщо втрата тиску в діафрагмі й соплі практично однакові, то для сопла Вентурі вона значно менше. Це пояснюється практичною відсутністю завихрень потоку після сопла Вентурі.

Для забезпечення необхідної точності вимірювання витрати за допомогою звужуючий пристроїв їх монтують на рівних ділянках трубопроводів діаметра D так, щоб перед звужуючим пристроєм на відстані 20D і після нього на відстані 10D не було гідравлічних опорів (колін, трійників, клапанів і т.д.), що збурюють потік вимірюваного середовища. При цьому клас точності стандартних звужуючий пристроїв становить 1.0.

Уцей час витратоміри змінного перепаду використовують на виробництві, в основному, для вимірювання витрат води на технологічні потреби й водяної пари від промислових котелень. При цьому звичайно застосовують два варіанти комплектів витратомірів: один на основі старої диференційно-трансформаторної схеми вимірювання та сучасний — тензометричний.

Укомплект дифтрансформаторного витратоміра входить нормальний звужуючий пристрій і, розглянуті нами раніше, диференційний манометр, наприклад, типу ДМ 3571 для вимірювання пере-

паду тиску Р на звужуючім пристрої й вторинний компенсаційний прилад типу КСД. Кулачок зворотного зв’язку цього приладу має квадратичну характеристику для обчислення значення витрати F0 по формулі (12.3). При цьому КСД містить вбудований механічний інтегратор, що дозволяє вимірювати поточне значення витрат та кількість рідини або газу. Клас точності комплекту становить 2,5.

Другий сучасний комплект витратоміра включає до свого складу нормальний звужуючий пристрій, дифманометр типу «Сапфір22 ДД» і блок добування кореня типу БИК-1, який розраховує витрати по формулі (12.3) і виробляє відповідний уніфікований струмовий

Швидкість обтікання поплавця й перепад тиску на ньому для моментів«зависання» єконстантамиконкретногоприладу. Звідси — назва даного методу вимірювання, для якого рівняння витрати має такий вигляд:

(12.4)

де SП і WП — площа найбільшого поперечного перерізу (м2) і об’єм (м3) поплавця; ρ і ρП — густина (кг/м3) вимірюваного середовища й поплавця.

Для візуального контролю над витратою за місцем установки широко застосовують скляні ротаметри ряду РС (рис. 12.3), які відрізняються між собою своїми розмірами й діапазонами вимірювання. Найменший з них РС-1, а найбільший РС-7. Шкала таких ротаметрів виражена у відсотках від діапазону вимірювання: 0…100 %,

а класи точності 1.0, 1.5, 2.5, 4.0.

Для дистанційної передачі показань ще застосовують ротаметри електричні диференційно-трансформаторні типу РЭ (рис. 12.4), де чутливий елемент — конічний поплавець 1 переміщується у вимірювальному кільці 2. Поплавець за допомогою штока з’єднаний із осердям дифтрансформатору, щопереміщуєтьсявгерметичномуциліндрі 3 з немагнітного матеріалу. Вторинні обмотки дифтрансформатору шунтовані резисторами R1 і R2 для підгонки стандартного вихідного сигналу. Класи точності ротаметрів РС і РЭ однакові. У вимірювальний комплект входить ротаметр РЭ, підключений до вторинного приладу типу КСД3 з інтегратором і квадратичним кулачком зворотнього зв’язку для вимірювання витрат за рівнянням (12.4).

Сучасні ротаметри мають різні проміжні перетворювачі переміщення поплавця. На рис. 12.5 приведена одна з конструкцій показуючого ротаметру типу «Sitrans FVA» фірми Siemens.

Конічний поплавець 1 робочої довжини L переміщується вздовж вимірювальної труби 2 з кільцем 3. Поплавець має вбудований в нього магнітN-S такрильця(направляючі) 4, 5, щорозташованіпідкутом120° однедоодноговплощиніпоперечногоперерізутруби2. Рухпоплавцяза допомогою його магніту передається слідкуючому магніту зовні вимірювальної труби, який повертає стрілку 6. Стрілка в залежності від типорозміру ротаметру має кут відхилення α від 110 до 170 градусів.

Рис. 12.5 Ротаметр типу Sitrans — FVA

Управління вихідним контактним або іншим пристроєм здійснюється за допомогою контактного фляжка або дискового кулачка, змонтованого на валу стрілки, що при її повороті замикає (розмикає) електричне коло, наприклад сигналізації. В інших конструкціях ротаметрів магніт використовують для одержання уніфікованого струмового сигналу 0…20 мА, наприклад, за допомогою датчика Холу.

Сучасні ротаметри із вихідним уніфікованим струмовим сигналом характеризуються класом точності від 1.0 до 2.5.

12.3. Тахометричні витратоміри

Тахометричні витратоміри й лічильники кількості рідини й газу через свою простоту й відносну дешевизну є наймасовішими. Вони перетворюють вимірювану об’ємну витрату у швидкість руху чутливого елемента, взаємодіючого з потоком вимірюваного середовища.

Розрізняють об’ємні й швидкісні витратоміри й лічильники кількості.

Об’ємні (рис. 12.6 а,б), що мають більш високу точність в порівнянні зі швидкісними, в якості чутливих елементів застосовують овальні шестірні 1, евольвентні гладкі ротори 2 та інші, що обертаються у вимірювальній камері 3.