Методы определения уровня жидкости с помощью измерения давления

 

Рисунок 12 - Схема дифманометра поплавкового

 

Рассмотрим принципиальную схему дифманометра поплавкового с цилиндрическими сосудами, расположенными U-образно (рисунок 12). Здесь большее давление р1 подается в широкий (плюсовый) сосуд, а меньшее р2 Действует на поверхность рабочей жидкости другого сосуда, называемого минусовым или сменным. Для получения необходимой перестановочной силы диаметр поплавка должен иметь достаточные размеры. Диаметр поплавка в свою очередь определяет оптимальные размеры площади поперечного сечения сосуда, в котором он находится. Размеры минусового сосуда (диаметр и высота) обычно выбираются в зависимости от измеряемого перепада давления.

Таким образом, изменяя у поплавковых дифманометров этого типа только размеры минусового сосуда, представляется возможность менять верхние пределы измерений в широком интервале от 0,063 до 1,0 кгс/сма (от 0,0063 до 0,10 МПа), что является большим достоинством поплавковых дифманометров с сосудами, расположенными U-образно.

 

4)  Мембранный  манометр. Наиболее разнообразными по конструкции являются мембранные чувствительные элементы. Представленная на рисунке 8, в, плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи). Преобразователи с такими чувствительными элементами рассмотрены в разделе электрических манометров.

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки . Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 * 10-4°С. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения. Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рисунке 13.

 

 

Рисунок 13 - Схема и внешний вид профильного мембранного напоромера НМП: 1 - штуцер; 2 - мембранная коробка; 3 - система рычагов и тяг; 4 - ось; 5 - показывающая стрелка; 6 - профильная шкала; 7 – корректор

 

Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки преобразуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы б. Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии со стандартным рядом при классе точности 1,5; 2,5.

С использованием мембранных чувствительных элементов выпускаются реле (сигнализаторы) напора и тяги типа РД, которые работают в диапазоне от -12 до 12 кПа.

 

5) Сильфонный манометр. Сильфон (рисунок 9, б) - это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр r и угла их уплотнения a, числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными. Благодаря значительному прогрессу в технологии изготовления сильфонов, они получили широкое распространение в манометрах и дифманометрах с силовой компенсацией.

Сильфонные чувствительные элементы используются в механических показывающих и самопишущих дифманометрах типа ДСП и ДСС.

 

Схема их чувствительного элемента, представляющего сильфонный блок, дана на рисунке 14, а, на рисунке 14, б приведен внешний вид дифманометра с вентильным блоком. Под действием разности давлений рабочий сильфон 1, расположенный в плюсовой камере дифманометра, сжимается и кремнийорганическая жидкость 2, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично вытесняется во внутреннюю полость сильфона 3, находящегося в минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 4, жестко соединенный с дном сильфона 3. Работающие на растяжение пружины 5 одним концом прикреплены к неподвижному стакану 6, а другим - к концу штока 4. Со штоком 4 соединен конец рычага 7, который с помощью торсиона 8, отделяющего внутреннюю полость дифманометра от атмосферы, поворачивает ось 9, связанную с записывающим или показывающим устройством. Резиновые кольца 10 служат для ограничения хода штока 4 при односторонних перегрузках.

 

Первые три гофра 11 представляют собой термокомпенсатор, воспринимающий изменение внутреннего объема жидкости 2 при изменении температуры прибора. Дифманометры снабжаются вентильным блоком, включающим запорные вентили 12 и уравнительный 13. Подключение к объекту измерения дифманометра с открытым уравнительным вентилем позволяет исключить воздействие одностороннего рабочего давления на чувствительный элемент. При закрытых вентилях 12 и открытом 13 указатель дифманометра дол-жен находиться на начальной отметке, что используется при проверке его работоспособности и настройке.

 

 

Рисунок 14 - Сильфонный дифманометр типа ДС: а - схема сильфонного блока; б - внешний вид; 1 - рабочий сильфон; 2 - кремний органическая жидкость; 3 - внутренняя полость сильфона; 4 - шток; 5 - пружины; 6 - неподвижный стакан; 7 - рычаг; 8 - тореной; 9 - ось; 10 - резиновые кольца; 11 - гофры; 12, 13 - вентили запорные и уравнительный

 

Дифманометры ДС могут иметь сигнализирующее устройство и пневматические преобразователи. Привод диаграммной бумаги при регистрации показаний, как и в манометрах МТС, производится синхронным двигателем или часовым механизмом. Дифманометры имеют верхний предел измерения от 6,3 кПа до 0,16 МПа при рабочем давлении 16 и 32 МПа, класс точности 1; 1,5. Дифманометры- расходомеры, работающие с сужающими устройствами, могут иметь манометрическую часть, производящую регистрацию статического давления до 32 МПа, и интегратор для суммирования расхода.

 

 

4 Определение уровня жидкости посредством измерения давления

 

 

Кроме контроля давления в сосудах и трубопроводах, с помощью приборов для измерения давления можно определять следующие технологические параметры:

1) Расход (измерение перепада давления на измерительной диафрагме с калиброванным отверстием);

2) Уровень жидкости (измерение давления, создаваемого вертикальным столбом жидкости);

3) Плотность жидкости (измерение давления, создаваемого вертикальным столбом жидкости фиксированной высоты);

4) Вес.

 

Даже температура может быть определена с помощью датчика давления, как в случае заполненного жидкостью сосуда, где давление жидкости и температуры жидкости имеют непосредственную связь.

Рассмотрим как с помощью приборов для измерения давления можно определить уровень жидкости. Для этого рассмотрим гидростатические уровнемеры. Основным принципом действия данных уровнемеров является измерение гидростатического давления, оказываемого жидкостью.

 Величина гидростатического давления Рг зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости ρ.

Измерение гидростатического давления может осуществляться различными способами, например:

- манометром или датчиком давления, которые подключаются к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня;

- дифференциальным манометром, который подключается к резервуару  на высоте, равной нижнему предельному  значению уровня, и к газовому  пространству над жидкостью;

- измерением давления  воздуха, прокачиваемого по трубке, опущенной в жидкость на фиксированное  расстояние, и другими.

 

На рисунке 15 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений.

При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.

Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит.

 

Рисунок 15 - Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления

 

В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.

Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рисунке 16.

 

 

Рисунок 16 - Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления

 

Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой.

В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т.к. результирующий перепад давления на дифманометре равен:

                                         (4.1)

 

Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС).

Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рисунке 17.

 

Рисунке 17 - Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением уравнительного сосуда; б – с верхним расположением уравнительного сосуда

 

Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке.

Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рисунке18.

 

 

Рисунок 18 - Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда

 

Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде:

                                               (4.2)

 

При h = 0, ΔР = ΔРmax, а при h = Hmax , ΔР = 0.

То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной.

Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая - в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.

Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рисунке 19.

 

 

Рисунок 19 - Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда; в – для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет давления и уровня жидкости

 

 

1)  Определим абсолютное и избыточное гидростатическое давление в точке А (рисунок 20), расположенной в бензине на глубине hA=2,5 м, и пьезометрическую высоту для точки А, если абсолютное гидростатическое давление на поверхности p0=147,2 кПа.