14)Ультразвуковые и акустические уровнемеры

уровнемеры для сыпучих тел

Вопрос 15.

ПОПЛАВКОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Работа поплавковых плотномеров основана на законе Архи­меда. Поплавковые плотномеры изготовляют с плавающим и с пол­ностью погруженным поплавком.

На рис. 32.1 приведена принципиальная схема плотномера с плавающим поплавком. Плотномер состоит из измерительного сосуда 4, в котором плавает металлический поплавок 5. Жидкость в прибор поступает через патрубок 2 и выходит из прибора через патрубок 6. Скорость потока устанавливается дросселем 1 по­стоянного сечения. Отражательные пластины 3 предохраняют поплавок от завихрений потока. Изменение плотности жидкости вызывает перемещение поплавка и связанного с ним сердечника 7, который перемещается в катушках дифференциально-трансфор­маторного датчика. Вторичный прибор (показывающий или реги­стрирующий) градуируют в единицах измерения плотности. Для температурной компенсации в измерительную схему вторичного прибора можно включить термометр сопротивления.

Плотномер может быть изготовлен из коррозионно-стойких материалов и применен для измерения плотности агрессивных жидкостей.

В плотномерах второго типа поплавок (буек) полностью погружен в исследуемую среду. Перемещение буйка при изменении выталкивающей силы вызывает усилие, которое компенси­руется сжатием пружины или каким-либо другим способом. По величине компенсирующего усилия можно судить об изменении выталкивающей силы, а следовательно, и о плотности среды. Такие плотномеры можно использовать и для определения концентрации твердой фазы в жидкости.

На рис. 32.2 приведена упрощенная схема плотномера с пол­ностью погруженным поплавком (буйком). При отсутствии в жид­кости частиц твердой фазы растяжение пружины максимально и равно I. При этом сила тяжести G буйка уравновешивается уси­лием F_B со стороны пружины и выталкивающей силой F_E, т. е. G = F_n + F _в

Выталкивающая сила, действующая на поплавок, может урав­новешиваться пружиной, дополнительным поплавком, помещен­ным в эталонную жидкость, пневматическим преобразователем и др. Температурная компенсация в поплавковых плотномерах достигается погружением термометра сопротивления в исследуе­мую жидкость или дополнительного поплавка в эталонную жидкость.

ВЕСОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Для весового метода характерны независимость показаний от свойств среды (поверхностное натяжение, вязкость, наличие твердых частиц и др.) и параметров контролируемого потока (скорость движения через чувствительный элемент, давление, пульсация расхода и давления и др.).

В качестве примера на рис. 32.4 показан весовой плотномер с пневматическим преобразователем.

Исследуемая жидкость поступает в прибор по трубе 1 и вы­ходит по трубе 2. Входная и выходная трубы гибкими резиновыми патрубками или металлическими сильфонами 3 соединены с петле­образной трубой 5. Для чистки петли предусмотрено съемное колено 6. Петлеобразная труба укреплена в вилке, которая мо­жет свободно поворачиваться на оси скобы 4. Тягой 7 петля со­единена с рычагом 9, который поворачивается на оси 10. На пра­вом плече рычага помещены противовес 11 (уравновешивающий систему, когда петля заполнена жидкостью с начальной плот­ностью) и тяга 13, связанная с сильфоном обратной связи 12 пневматического преобразователя.

При увеличении плотности возрастает масса петли, рычаг 9 поворачивается против часовой стрелки, зазор между соплом 14 и заслонкой 15 уменьшается, давление воздуха, поступающего по трубке 16, в преобразователе увеличивается, сильфон растя­гивается и, воздействуя на тягу 13, опускает правый конец ры­чага до тех пор, пока не восстановится его равновесное положе­ние. Ход рычага ограничен упорами 8. Пределы измерения регу­лируют дополнительными грузами, навешиваемыми на надрезы а. Давление воздуха в сильфоне, изменяющееся пропорционально изменению плотности жидкости, измеряется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в единицах плотности. Прибор измеряет плотность при фактической температуре жидкости, заполняющей в данный момент петлеобразную трубу.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что давление р в жидкости на расстоянии H от ее поверхности определяется выражением

p = gH,

где — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.

Из формулы (32.5) следует, что давление столба жидкости постоянной высоты H является мерой плотности жидкости.

В пьезометрическом дифференциальном двухжидкостном плот­номере с непрерывной продувкой инертного газа (рис. 32.5) исследуемая жидкость непрерывно протекает через сосуд 1,

в котором поддерживается постоянный уровень. Сосуд 6 постоянного уровня запол­нен эталонной (сравнитель­ной) жидкостью с известной плотностью. Инертный газ по трубке 2 проходит через слой исследуемой жидкости постоянной высоты и выхо­дит из прибора. Тот же инертный газ по трубке 5проходит через слой постоянной высоты эталонной жидкости, затем по дополнительной трубке 3 через небольшой слой исследуемой жидкости и уходит из прибора. При известных глубинах погружения пьезометриче­ских трубок и известной плотности эталонной жидкости пока­зания дифференциального манометра 4 являются мерой плот­ности исследуемой жидкости.

Согласно формуле показания дифманометра

р = — (h₂ + ho o) g = (hp — h_{0 0}) g.

Эталонную жидкость подбирают с плотностью, равной плот­ности исследуемой жидкости. При этом условии и при условии, что h₀ = h, разность давлений р. = 0; тогда плотность исследуе­мой жидкости минимальна. Разность давлений достигнет макси­мального значения при максимально возможной плотности иссле­дуемой жидкости.

ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРы

В качестве резонаторов применяют механические камертонные осцилляторы, отличающиеся малым рассеянием колебательной энергии в узлах их закрепления. На рис. 32.6 показаны камер­тонные резонаторы разомкнутого и замкнутого типов. Последние обладают рядом преимуществ (по сравнению с разомкнутыми), к которым можно отнести отсутствие позиционной ошибки, за­висящей от расположения резонатора в пространстве, и большую начальную частоту колебаний при тех же габаритных размерах, что обусловливает более высокую чувствительность датчика к из­менению плотности контролируемой жидкости.

На рис. 32.7 приведена схема резонаторного плотномера про­точного типа, выполненного в виде сдвоенного трубчатого камер­тона. Ветви камертона 6 приводятся в режим автоколебаний в противофазе системой возбуждения, состоящей из возбудителя колебаний 7, приемника колебаний 8 и усилителя 9. Камертон . служит звеном положительной обратной связи, и стабильность его собственной резонансной частоты, определяемая доброт­ностью колебательной системы, характеризует точностные воз­можности прибора в целом. Резонатор отделен от опор 5 резино­выми манжетами 4, а жидкость подводится к нему по эластичным элементам 3, которые предотвращают передачу продольных коле­баний опор камертона датчика 2 корпусу и технологическому трубопроводу 1. Кроме того, элементы 3 защищают камертон от воздействия температурных деформаций корпуса и трубопровода.

Выходной сигнал датчика в виде зависящей от плотности ча­стоты переменного тока может регистрироваться цифровым часто­томером 10, подключаемым к выходу усилителя 9.

Если от плотномера требуется получить аналоговый сигнал в виде напряжения или силы тока, прибор обеспечивают рядом дополнительных устройств, которые входят в схему преобразова­теля. Девиация частоты датчика при изменении плотности среды в рабочем диапазоне обычно не превышает 10 % собственной ча­стоты резонатора. В связи с этим необходимой чувствительности и точности измерения полезного сигнала достигают применением дифференциальной схемы. Пассивный (сравнительный) канал такой схемы содержит кварцевый генератор 14 опорной частоты с блоком 13, который делит частоту генератора до величины, близкой к частоте резонатора в начале рабочего диапазона. Сиг­налы активного и пассивного каналов схемы сравниваются в сме­сителе 12, и разностная частота выделяется низкочастотным фильтром 11. Прецизионный частотомер 17 преобразует дискрет­ный сигнал в аналоговый, который можно регистрировать стан­дартным записывающим устройством 15. Аналоговый сигнал, соответствующий разности начальной частоты датчика и опорной частоты, компенсируется блоком установки нуля 18. Поправка к показаниям прибора при изменении температуры измеряемой среды вводится автоматически термокомпенсатором 16, представ­ляющим собой неравновесный мост с терморезистором в одном из плеч, помещенным в анализируемую среду. Показания плотно­мера не зависят от вязкости контролируемой среды, так как на резонансную частоту датчика влияет только масса жидкости, находящейся внутри резонатора.

Датчик можно изготовлять из различных упругих материалов (углеродистая, легированная и коррозионно-стойкая стали, алю­миний, кварцевое стекло и т. п.).

Изменение температуры контролируемой жидкости и окружа­ющей среды вызывает появление дополнительной погрешности, так как при этом изменяются геометрические параметры датчика, модуль упругости и плотность материала его стенок.

На рис. 32.9 приведена схема наиболее распространенного радиоизотопного измерителя плотности (ПР-1024). Он содержит два радиоизотопных излучателя (¹³⁷Cs): основной 1, сигнал от которого проходит через трубопровод 2 с жидкостью, и контроль­ный 6, сигнал от которого не проходит через контролируемую жидкость. Сигналы от обеих источников воспринимаются раз­дельно по времени сцинтилляционным счетчиком 5 с электронным фотоумножителем 7. Потоки прерываются свинцовым полуцилин­дром 3, вращающимся вокруг приемника излучения синхронным электродвигателем 4. Полуцилиндр 3 попеременно перекрывает потоки излучения таким образом, что в течение первого полу­периода вращения воспринимается излучение основного источ­ника, пропорциональное плотности жидкости, а в течение второго полупериода — постоянное излучение контрольного источника. В электронный блок 8 поступают сигналы также попеременно от основного и контрольного источников. Отношение этих сигналов после усиления подается на вход вторичного прибора 9 (автома­тический электронный мост).

Пределы измерения плотномера от 50 до 500 кг/м³, основная погрешность 2 %. Прибор можно устанавливать на трубопро­воде с внутренним диаметром 100—300 мм при толщине стенок трубопровода до 20 мм.