Поплавковые и буйковые уровнемеры
Поплавковым называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погружаемого в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости неизменна. Об уровне судят по положению указателя, соединенного с поплавком гибкой (лента, трос) или жесткой механической связью. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. При движении поплавка на него действуют следующие силы:
- сила тяжести поплавка G,
- выталкивающая сила газовой и жидкой фаз,
- силы сопротивления в подвижных элементах уровнемера.
Поплавковые уровнемеры используются для измерения уровня в резервуарах при невысоком избыточном давлении, поэтому выталкивающей силой газовой фазы на поплавок можно пренебречь. В этом случае силы, действующие на поплавок, связаны соотношением
,
где – объем погруженной части поплавка; – плотность жидкости.
Сила сопротивления направлена против движения поплавка и поэтому изменяет знак при изменении направления движения. Из последнего уравнения можно получить выражение
. (8.4)
Объем однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на изменяется объем погруженной части на , что приводит к изменению осадки, т.е. к появлению дополнительной погрешности.
Таким образом, объем погруженной части , а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для уменьшения этой погрешности целесообразно уменьшение осадки поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо уменьшением сил , либо облегчением поплавка.
Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Значение сил сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера.
Наибольшее распространение получили уровнемеры с механической связью поплавка с измерительной схемой, причем эта связь может быть образована как гибкими элементами (тросом, лентой), так и жесткими (рычагом, рейкой). Использование гибких элементов практически исключено в уровнемерах для сосудов под давлением из-за сложности герметизации выводов. Герметизация проще обеспечивается в рычажных уровнемерах, однако их недостатком является небольшой диапазон измерения – до нескольких десятков сантиметров (при гибкой связи диапазон измерения достигает 12 м).
Поплавок может нести перемычку, закорачивающую по мере изменения уровня две параллельные струны из высокоомного материала, расположенные по высоте сосуда, применяется также индуктивный способ определения положения поплавка.
Поплавковые уровнемеры обладают определенными достоинствами: простотой устройства, большим диапазоном измерения, достаточно высокой точностью, возможностью измерения уровня агрессивных и вязких сред, широким температурным диапазоном измерения.
Недостатки, ограничивающие их применение: наличие поплавка в резервуаре, трудности измерения уровня в резервуарах под давлением.
Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости.
Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) – буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Расчетная схема буйкового уровнемера
Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью «c», действующей на буек с определенным усилием (на рис. 8.8 таким элементом является пружина). При увеличении уровня на h от нулевого положения 0–0 увеличится выталкивающая сила, что вызовет подъем буйка на х, причем при подъеме его увеличивается осадка, т.е. x < h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h – х):
, (8.6)
где c – жесткость подвески; , – плотность жидкости и газа; Sб – площадь поперечного сечения буйка.
Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:
. (8.7)
Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть увеличена увеличением Sб или уменьшением жесткости подвески c.
Из (8.7) легко установить, что при использовании конкретного уровнемера дополнительные погрешности могут возникнуть за счет изменения величин c, Sб, – . Причиной изменения этих величин является изменение температуры и давления в сосуде, при этом наибольшей является погрешность, вызванная изменением – .
На рис. 8.9 изображена схема уровнемера с торсионной подвеской и пневматическим выходом.
Рис. 8.9. Схема буйкового уровнемера с торсионной подвеской
Буек 1 подвешен на рычаге 2, закрепленном на призматической подушке 3, которая опирается на ножевую опору 4. К подушке жестко прикреплен конец торсионной трубки 5, второй конец которой посредством фланца 6 жестко и герметично крепится на кронштейне 7, представляющем собой часть корпуса уровнемера. Таким образом, конец 6 трубки неподвижен, другой конец может поворачиваться вместе с подушкой 3. Внутри трубки пропущен жесткий стержень 8, приваренный к подушке 3. На свободном конце стержня находится заслонка 9 пневмопреобразователя. При изменении уровня происходит поворот подушки 3 вместе с закрепленным на ней концом торсионной трубки 5, при этом изменяется усилие, с которым трубка воздействует на буек. Одновременно с поворотом подушки 3 поворачивается заслонка 9, изменяется зазор между ней и соплом 10, что приводит к изменению давления на входе и выходе пневмоусилителя и показаний измерительного прибора ИП.
Основная погрешность такого уровнемера колеблется в пределах 1¸1,5 %.
Буйковые уровнемеры, в зависимости от конструкции, могут применяться при температуре до 400 °C, давлении до 10 МПа, диапазон измерения может составлять от 0 до 0,04 м или от 0 до 16 м. Погрешность измерения – 1,0; 1,5 %. Унифицированный выходной токовый сигнал – 0¸5 мА.