- 11_

Національний університет “Львівська політехніка”

Вимірювання рівня Методичні вказівки

для самостійної підготовки та інструкція

до лабораторної роботи № 06

з основ автоматики і автоматизації

для студентів технологічних спеціальностей ІЕСК, ІХХТ, ІБІД

Затверджено

на засіданні кафедри

автоматизації теплових та

хімічних процесів

Протокол № 1 від 30.08.2012 р.

Львів – 2012

Вимірювання рівня.Інструкція до лабораторної роботи № 06 з курсу”Контроль та керування технологічними процеса­ми”для студентів технлогічних спеціальностей. /Укл. В.П.Кореньков, І.В.Ділай. Львів: НУЛП, 2012. - 11 с.

Укладачі: В.П.Кореньков, ст.викл.,

І.В.Ділай, к.т.н., доц.,

Відповідальний за випуск Є.П.Пістун., д.т.н., проф.

Рецензенти: В.О.Фединець, к.т.н., доц.,

І.Д.Стасюк, к.т.н., доц.

Мета роботи: практичне ознайомлення з різними методами вимірювання рівня рідин, конструктивними особливостями рівнемірів і методикою їх перевірки.

Необхідна підготовка: знання принципів дії рівнемірів різних типів.

Основні відомості

Рівнем називають висоту заповнення технологічного апарата робочим сере­довищем: рідиною або сипким матеріалом. Рівень є технологічним параметром, інформація про який потрібна для контролю та керування виробничим процесом.

Вимірюючи рівень, можна отримати інформацію про масу речовини в ємності, що важливо при обліку.

Рівень вимірюють в одиницях довжини.

Різноманітність вимог до вимірювачів рівня (рівнемірів) привела до вико­ристання широкої номенклатури приладів, принципи дії яких базуються на різноманітних фізичних законах. Широко використовуються:

- механічні, які об'єднують візуальні (мірні стекла), поплавкові та гідростатичні рівнеміри, а також прилади, призначені для вимірювання рівня сип­ких матеріалів, такі, як вагові, пневмо- та електромеханічні тощо.

- електричні рівнеміри, які поділяють на резистивні, індуктивні та ємнісні.

Електричні рівнеміри призначені для вимірювання рівня електро- і неелект­ропровідних сипких матеріалів та рідин, зокрема кріогенних, агресивних та вибу­хонебезпечних. Індуктивні рівнеміри мають доволі низький клас точності (1.5...2%) і використовуються, зокрема, для контролю рівня рідких металів;

- радіоактивні рівнеміри, вимірювання рівня якими базується, як правило, на зміні інтенсивності радіоактивного випромінювання при проходженні його че­рез шар контрольованої речовини. Зміна інтенсивності випромінювання перетво­рюється в електронному блоці рівнеміра в електричний сигнал, який вимірюється вторинним приладом. Радіоактивні рівнеміри застосовують для вимірювання рівня рідин або сипких матеріалів в закритих ємностях, заповнених агресивною або лег­козаймистою речовиною, або речовиною при високій температурі, високому тиску тощо;

- ультразвукові та акустичні рівнеміри, які використовують принцип відбиття звукових хвиль від границі розділу середовищ з різними акустичними опорами. Такі прилади призначені для контролю рівня неоднорідних середовищ, які кристалізуються або випадають в осад.

Розглянемо коротко деякі з наведених вище рівнемірів.

Механічні рівнеміри

Візуальні рівнеміри або мірні стекла – це вертикально розта­шована прозора (наприклад, скляна) трубка з'єднана з апаратом нижнім кінцем (для відкритих посудин) або двома кінцями (для посудин з надлишковим тиском або розрідженням). В трубці, як і в контрольованому апараті, встановлюється такий самий рівень рідини. Шкала наноситься безпосередньо на трубку або закріплюється біля неї. При контролі рівня, який змінюється більше ніж на 0,5 м, встановлюють декілька рівнемірів, так, щоби верх попереднього перекривав низ на­ступного.

Рис.1. Схема буйкового пневматичного рівнеміра УБ-П: 1 - буйок; 2 – сильфон зворотного зв'язку; 3 - система важелів; 4 -Т-подібний важіль; 5 - заслінка; 6- сопло; 7- пневмореле; 8 -рухома опора; 9 - Г-подібний важіль;

10 - пружина коректора нуля; 11- противага; 12 - додат­ковий важіль.

Поплавкові рівнеміри завдяки своїй простій конструкції широко використовуються. Відомі поплавкові рівнеміри з плаваючим та зануреним поплавком (буйком). Принцип роботи рівнемірів із зануреним поплавком (буйком) оснований на вимірюванні виштовхувальної сили, яка діє на буйок, занурений в рідину і за­триманий в певному положені зовнішньою силою пружини (наприклад, торсійної) або силою, яка створюється електричною або пневматичною компенсаційними системами. Буйкові рівнеміри найбільше використовуються завдяки високим метрологічним характеристикам при контролі різних рідких середовищ, які знаходять­ся в широкому інтервалі змін температури, при високих робочих тисках ( до 16 МПа). На рис.1 зображена схема буйкового пневматичного рівнеміра УБ-П, який складається з вимірювального блока і пневмосилового перетворювача. Зміна рівня рідини перетворюється чутливим елементом (буйок 1 вимірювального блока) в пропорційне зусилля, яке зрівноважується зусиллям, створеним тиском стиснутого повітря в сильфоні зворотного зв'язку 2. Тиск повітря є одночасно вихідним сиг­налом рівнеміра. Вимірювальний блок рівнеміра складається з чутливого елемента (буйка) 1 і вузла важельного виводу 3. Початкова вага буйка зрівноважується спеціальним вантажем 11. Вихідний момент вимірювального блока викликає не­значне переміщення системи важелів 3 пневмосилового перетворювача (пневмореле) 7 і зв'язаної з Т-подібним важелем 4 заслінки 5 відносно сопла 6. Зміна пневмосигналу (зміна тиску повітря) в лінії сопла 6 передається в пневмореле 7. Вихідний сигнал пневмореле діє в силь­фоні зворотного зв'язку 2 і вимірюється вторинним приладом.

Гідростатичні рівнеміри здіснюють непряме вимірювання рівня рідини, вимірюючи статичний тиск стовпа рідини постійної густини. Вимірюють гідростатичний тиск:

- манометром, під'єднаним на висоті, яка відповідає нижньому граничному значенню рівня;

- диференційним манометром, підключеним до ємності на висоті нижнього граничного значення рівня та до парогазового простору над рідиною;

- вимірювачем тиску газу (повітря), який прокачується по трубці, зануреній в рідину на фіксовану глибину;

Рис.2. Схеми дифманометричних рівнемірів:

а) для відкритих резервуарів; б) для закритих резервуарів;

1 - резервуар; 2 - зрівноважувальна посудина; 3 - дифма­нометр.

- в дифманометричних рівнемірах (рис.2) рівень рідини визначають за різницею тисків , яка створюється двома стов­пами рідини, один з яких повинен бути постійним і створюється з допомогою зрівноважувальної посу­дини. При вимірюванні рівня у відкритому резер­вуарі (рис.2а) зрівноважу­вальна посудина встановлюється на позначці мінімального рівня, верхня частина її з'єднується з ат­мосфе­рою. Якщо зрівно­важувальна посудина під'єднується до "плюсової" камери дифма­нометра, прилад показує зниження рівня відносно верхньої границі, якщо зрівноважувальна посу­дина підключена до "мінусової" камери, прилад показує підвищення рівня віднос­но нижньої границі.

При вимірюванні рівня в закритих ємностях "плюсова" камера під'єднується до дна ємності, а "мінусова" - до зрівноважувальної посудини. Остання розташовується, щоб рівень рідини в ній відповідав максимальному рівню в ємності (рис.2б).

Для вимірювання рівня в ємностях нижче від місця розташування рівнеміра ви­користовуються п’єзометричні рівнеміри (рис.3), мірою рівня в яких є тиск газу (повітря), що створюється при його продуванні через шар рідини з постійною витра­тою. В основу цього методу вимірювання рівня покладена залежність тиску повітря на кінці п’єзометричної трубки 4 від довжини її зануреної частини та питомої ваги рідини. Тиск вимірюється манометром 5, шкала якого проградуйована в одиницях рівня. Зни­ження рівня призводить до зниження тиску у трубці 4 через зменшення опору стовпа рідини, питома вага якої, очевидно, повинна бути постійною. Витрата газу (повітря) підтримується задавачем 7 постійною і контролюється ротаметром 6.

Рис.3. Схема перевірки п’єзометричного рівнеміра:

1 - резервуар; 2, 3 - вентилі; 4 - п’єзометрична трубка; 5 - манометр; 6 - ро­таметр;7 - задавач витрати повітря; 8 - манометр; 9 - редуктор; 10 - фільтр; 11 - мірне скло.

Вагові та пневмомеханічні рівнеміри сипких матеріалів за функціональними ознаками можуть бути показуючими, реєструючими, сигналізуючими. Давачами вагових рівнемірів можуть бути месс-дози. В цьому випадку вимірюється тиск, який діє на одну з опор бункера і є функцією наповнення бункера, тобто рівня. Прилад складається із гідравлічної месс-дози, з’єднаної трубкою з манометром, програду­йованим в одиницях рівня або ваги. Перевага такого рівнеміра - відсутність будь-яких деталей всередині бункера; недолік - мала точність вимірювання при малих завантаженнях бункера.

Основним елементом пневмомеханічного рівнеміра є рухома труба з криль­чаткою, яка обертається. При дотику крильчатки до поверхні сипкого матеріалу обертання крильчатки припиняється. Вмикається слідкуючий механізм підйому труби з матеріалу. При виході крильчатки з сипкого матеріалу (або при зменшенні рівня матеріалу) слідкуючий механізм опускає трубу до моменту дотику крильчат­кою контрольованого матеріалу. В результаті крильчатка тримається на поверхні матеріалу, відтворюючи контрольований рівень в бункері. Прилади такого типу мають пневмоперетворювач, вихідний сигнал якого пропорційний вертикальному переміщенню крильчатки і вимірюється манометром, шкала якого проградуйована в одиницях рівня.

Електричні рівнеміри

Основним елементом ємнісного рівнеміра є ємнісний первинний вимірювальний перетворювач (давач). Електрична ємність такого давача С_Д змінюється при зміні рівня за рахунок змін діелектричних проникностей контро­льованого та розміщеного над ним пароповітряногосередовища. Для циліндричного ємнісного давача, який являє собою дві або декілька коаксіально розміщених труб, електрична ємність визначається за формулою:

,

де - висота резервуара; - вимірюваний рівень; - відповідно зовнішній і внутрішній діаметри труб.

Для призматичного ємнісного перетворювача, який містить дві або декілька паралельно розміщених пластин, електрична ємність визначається:

,

де - відстань між пластинами; - ширина пластин перетворювача.

При вимірюванні рівня агресивних рідин обкладинки давача виконують з хемічно стійких сплавів або покривають кожну з обкладинок антикорозійною плівкою, діелектричні властивості якої враховують при розрахунках.

Вимірювання електричної ємності, яка є мірою рівня, виконують за допомо­гою резонансних або мостових схем змінного струму.

Ємнісний рівнемір, в якому використовується мостовий метод вимірювання, показано на рис.4. Прилад призначений для вимірювання рівня рідких та сипких середовищ з різними фізичними властивостями.

Рівнемір складається з давача Сд, електронного блока 1 та вторинного при­ладу 2. Діапазон вимірювань приладу {до 20 м } залежить від типу давача, зануре­ного у вимірювальне середовище. Використовуються стержневі, пластинчасті, тро­сові та кабельні давачі. Давач з'єднується з електронним блоком 1 коаксіальним ка­белем 3. В електронному блоці 1 ємність давача Сд перетворюється в сигнал постійного струму , який вимірюється місцевим покажчиком (міліамперметром 4). Спад напруги на резисторі вимірюється вторинним приладом 2, шкала якого градуюється в одиницях рівня. Схема електронного блока рівнеміра скла­дається з генератора високочастотних коливань 5, моста змінного струму та підсилювача 6. При зміні контрольованого рівня змінюється ємність давачаСд в індуктивно-ємнісному мості, який складається з індуктивностей обмоток 3-4, 4-5 трансформатора Тр1 та конденсаторів С1-С5. При цьому порушується рівновага моста, у вимірювальній діагоналі якого виникає напруга небалансу, що подається на підсилювач 6. Конденсатором С1 міст зрівноважується в початковий момент, коли рівень контрольованого середовища є на нижній границі ("Встановлення нуля"). При зміні рівня речовини змінюється ємність давача Сд, що викликає роз­баланс мостової схеми. Сигнал розбалансу подається на вхід підсилювача 6. Вихідний сигнал підсилювача вимірюється місцевим міліамперметром 4. Змінний резистор R використовується для встановлення максимального вихідного сигналу ("100 %") підсилювача 6 при верхньому положенні рівня речовини. Для вибору не­обхідного діапазону вимірювань використовується перемикач 7.

Рис.4. Схема ємнісного рівнеміра:

1 - електронний блок; 2 - вторинний прилад; 3 - кабель; 4 - місцевий покажчик рівня;

5 - генера­тор ВЧ коливань; 6 - підсилювач;

7 - перемикач діапазонів вимірювання рівня.

Перевірка (градуювання) рівнемірів

Перевірка або градуювання рівнеміра проводиться порівнянням його показів з мірами вищого розряду або з показами контрольного приладу, який вмикається паралельно. Як контрольний прилад найчастіше використовують мірне скло. Основна похибка мірного скла зумовлена капілярним підйомом рідини по трубці малого діаметра. Для води внутрішній діаметр трубки повинен бути не меншим за 10 мм. Відлік робиться по дотичній до горизонтальної ділянки поверхні меніска рідини. Потрібно також враховувати можливу динамічну похибку через певну інерційність зміни рівня. При швидкому зменшенні вимірюваного рівня відлік по мірному склі буде завищеним внаслідок перетікання рідини в сполучених посудинах. Врахування вказаного забезпечує точність вимірювання рівня мірним склом до 0,5 мм.

Похибки гідростатичних рівнемірів залежать, в першу чергу, від точності врахування змін питомої ваги контрольованої рідини. Основною перевагою гідростатичного рівнеміра є можливість визначити статичну характеристику розрахунково. Проте вона може бути справедливою, тільки якщо склад, температура, тиск вимірюваного середовища, які визначають його густину, залишати­муться незмінними.

При перевірці або градуюванні буйкових рівнемірів використовується іміта­ція виштовхувальної сили, яка попередньо розраховується для перевірюваних то­чок шкали перевірюваного приладу. Поплавкові рівнеміри є найточнішими та найнадійнішими, практично незалежними від властивостей контрольованого сере­довища засобами вимірювання рівня. Буйкові рівнеміри можуть працювати при високих тисках і температурах. Суттєво спотворюють покази приладу можливі осади на по­плавку (буйку). Радіоактивні та високочастотні рівнеміри є фактично слідкуючими поплавковими рівнемірами зі всіма притаманними їм властивос­тями.

Рівнемір перевіряють при значеннях рівня, які відповідають цифрованим позначкам шкали вторинного приладу при прямому і зворотному ходах. Порівняння показів приладів дає змогу за отриманими похибками визначити відповідність робочого рівнеміра його класу точності. При цьому покази контрольного приладу (мірного скла) приймають за дійсні значення рівня.

Послідовність роботи

1. Ознайомитися з будовою і роботою досліджуваних рівнемірів.

2. За допомогою мірного скла перевірити або визначити статичну характе­ристику досліджуваного рівнеміра.