Основные понятия; единицы

В химических производствах измеряют количество и расход веществ не только для контроля результатов производства, но и для управления технологическим процессом.

Количество вещества выражают в единицах объема или массы. Основной единицей объема принят кубический метр (м³), основ­ной единицей массы — килограмм (кг).

Количество жидкости с равной степенью точности можно измерять объемным и массовым методами, так как плотность жидкости при определенной температуре является величиной по­стоянной для данной жидкости. При переходе от объемных еди­ниц к массовым необходимо учитывать температуру измеряемой жидкости, так как плотность жидкости зависит от температуры.

Зависимость плотности жидкости от температуры приближенно выражается формулой

где р₂₀ — плотность жидкости при температуре 20 °С; (3 — тем­пературный коэффициент объемного расширения жидкости, 1/°С; t — температура жидкости, °С.

Значения плотности воды и других жидкостей в зависимости от температуры приведены в справочной литературе.

Количество газа измеряют исключительно объемным методом. Для получения сравнимых результатов измерений необходимо объем газа привести к следующим нормальным условиям: темпе­ратура 20 °С (293,15 К), давление 101 325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность ср = 0. Для пересчета объема сухого газа к объему V_H в указанных ^'условиях используют формулу

где р — абсолютное давление газа в рабочем состоянии; р_н — давление газа при нормальных условиях; Т — абсолютная тем­пература газа в рабочем состоянии, К; Т_н = 293,15 К — абсо­лютная температура, соответствующая состоянию газа при нор­мальных условиях; К — коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального, т. е. коэффициент сжимаемости газа (при давлении меньше 0,49 МПа и температуре ниже 50 °С коэффициент К практически равен единице для всех газов).

При переходе от объемных единиц к массовым необходимо привести к нормальным условиям плотность газа. Плотность сухого газа при нормальных условиях

где р_р — плотность сухого газа в рабочем состоянии при данных значениях р и Т.

Плотность газовой смеси при нормальных условиях опреде­ляют, исходя" из ее состава, по формуле

где v_x, v₂,..., v_n —объемное содержание компонентов в газовой смеси, %; pg_b р_н2,..., р_нп — плотность отдельных компонен­тов, входящих в газовую смесь, при нормальных условиях.

Коэффициент сжимаемости К равен отношению плотности р_н, подсчитанной по законам идеального газа, к действительной плотности газа в рабочем состоянии при данных р и Т. Значения коэффициента К для наиболее употребительных газов можно определить по экспериментальным графикам.

Для газовых смесей коэффициент сжимаемости Кем опреде­ляют по экспериментальным данным или рассчитывают по формуле

где Ki, К2, …, К_п — коэффициенты сжимаемости отдельных компонентов, входящих в газовую смесь.

При отсутствии экспериментальных данных по сжимаемости какого-либо газа коэффициент К приближенно определяют на основании закона соответственных состояний.

На плотность газа заметно влияет влагосодержание. Плот­ность влажного газа в рабочем состоянии определяют по формуле

где

Рв_г — плотность влажного газа при давлении р и температуре Т; Per — плотность сухого газа во влажном газе при температуре Т и нормальном давлении сухого газа, равном р — фр_ЕП; р_вп — плотность пара в газе при его парциальном давлении, равном фр_ЕП; ф — относительная влажность, т. е. отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного газа к максимально возможной его массе при тех же температуре и давлении; р_нп — плотность насыщенного водяного пара при температуре t; р_вп — давление насыщенного водяного пара при температуре t.

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Зна­чения параметров, входящих в приведенные формулы, берут из соответствующей справочной литературы.

Для твердых сыпучих тел пользуются понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения; она зависит от гранулометрического состава сыпучего материала, т. е. от раз­меров частиц и количественного содержания частиц различных размеров в общей массе сыпучего материала. В связи с этим для получения более точных результатов количество сыпучего мате­риала определяют взвешиванием. Измерители количества твердых и сыпучих материалов (весы) в учебнике не рассматриваем.

Приборы, измеряющие количество вещества, называют счет­чиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем веще­ства за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. п. Количе­ство вещества при этом определяют как разность показаний счет­чика. Счетчики, как правило, являются приборами прямого измерения, и отсчет по их шкале дает измеряемую величину без дополнительных вычислений. Подвижные элементы счетчика со­единяются со счетным механизмом.

Расходом вещества называется количество вещества, проходя­щего через данное сечение канала в единицу времени. Массовый расход измеряют в килограммах на секунду, а объемный — в ку­бических метрах на секунду. Приборы, измеряющие расход, называют расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда их называют расходомерами со счетчиком. Такие расходомеры позволяют измерять одновре­менно расход и количество.

В зависимости от принятого метода измерения наиболее рас­пространены расходомеры:

переменного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода перепада давлений в сужающем устройстве вследствие частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетиче­скую;

скоростного напора для измерения расхода по динамическому напору потока с помощью пневмометрических трубок;

переменного уровня, основанные на зависимости от расхода высоты уровня жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда;

постоянного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка),

изменяющего при этом площадь сечения проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остается постоянным; бесконтактные.

Основные термины и определения даны по ГОСТ 15528—70 и ГОСТ 18083—72.

ИЗМЕРИТЕЛИ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Счетчики для измерения количества жидкости по принципу действия делятся на объемные, весовые и скоростные. Преиму­щественно применяют объемные и скоростные счетчики. Для измерения количества газа используют объемный метод.

ОБЪЕМНЫЕ СЧЕТЧИКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Принцип действия объемных счетчиков основан на измерении объема жидкости, вытесняемой из измерительной камеры под действием разности давлений, и суммировании результатов этих измерений. Объемные счетчики в основйом предназначены для измерения количества чистых жидкостей без механических при­месей (бензина, масел, конденсата и т. п.). Основное преимущество объемных счетчиков — малая погрешность и сравнительно ши­рокий диапазон измерений.

В основном применяют счетчики с овальными зубчатыми ко­лесами (рис. 17.1). Проходя через счетчик, поток жидкости теряет часть своей энергии на вращение овальных колес. В зависимости от расположения колес относительно входа потока жидкости каж­дое из них является поочередно то_ведущим, то ведомым. При

Схема счетчика с овальными колесами

вращении овальных колес периодически отсекается определенный объем жидкости, ограниченный овалом колеса и стенкой измери­тельной камеры. За один оборот колес отсекается четыре опре­деленных объема жидкости, которые в сумме равны, свободному объему измерительной камеры счетчика.

Количество жидкости, прошедшей через счетчик, определяют по числу оборотов овальных колес. В положении / жидкость вра­щает правое колесо по часовой стрелке, а правое колесо вращает левое против часовой стрелки. В этом положении правое колесо отсекает определенный объем жидкости 1. В положении II левое колесо заканчивает отсекание нового объема жидкости 2, а пра­вое выталкивает ранее отсеченный его объем жидкости 1 в выход­ной патрубок счетчика. В этом положении крутящий момент пере­дается на оба колеса. В положении III ведущим является левое колесо, которое к этому времени уже отсекло объем 2. Оно вращает правое колесо по часовой стрелке. Дальнейшее вращение колес происходит аналогично (положения IV и V).

Для измерения объемов очень вязких жидкостей (мазут и др.) в счетчиках предусматривают паровую рубашку. Счетчики с оваль­ными колесами выпускаются отечественной промышленностью для различных диаметров трубопроводов при рабочем давлении до 1,57 МПа. Потеря напора от установки счетчика составляет при­мерно 0,02 МПа. Погрешность показаний этих приборов ±0,5 %.

СКОРОСТНЫЕ СЧЕТЧИКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Скоростные счетчики для измерения количества жидкостей работают по принципу измерения средней скорости движущегося потока. Объемный расход Q жидкости связан со средней скоростью движущегося потока соотношением

где v_Gp — средняя скорость движения вещества, м/с; s — площадь поперечного сечения потока, м².

Количество жидкости, прошедшей через прибор, пропорцио­нально частоте вращения лопастной турбинки, расположенной на пути потока. Считают, что частота вращения турбинки пропор­циональна средней скорости потока: п = cv_Cv. Учитывая уравне­ние (17.1), получим

где п — частота вращения турбинки; с — коэффициент пропор­циональности, характеризующий механические и гидравличе­ские свойства прибора.

Отсюда следует, что частота вращения турбинки также про­порциональна расходу жидкости. Однако при малых расходах эта зависимость не соблюдается из-за утечки жидкости через зазоры между лопастями турбинки и корпусом счетчика, а такжеиз-за трения в опорах подвижной системы. Для уменьшения силы трения турбинку и ее ось изготовляют из легких материалов. Частота вращения турбинки счетчика заметно зависит от харак­тера протекающего потока. Для успокоения потока перед турбин- кой со стороны входа жидкости устанавливают струевыпрями- тель; участки трубопровода до счетчика и после него делают прямыми.

По форме турбинки скоростные счетчики разделяются на две группы: с винтовой и крыльчатой турбинкой. ь.

Винтовые турбинки располагают- параллельно измеряемому потоку, крыльчатые — перпендикулярно ему.

Частота вращения винтовой турбинки пропорциональна сред­ней скорости потока жидкости и обратно пропорцональна шагу лопастей п kv_cJl или п = kQ/(ls), где k — постоянная при­бора; I — шаг лопастей турбинки, м.

На рис. 17.2 показан скоростной счетчик с винтовой турбин­кой, закрепленной на горизонтальной оси. В корпусе 1 с флан­цами для присоединения к трубопроводу установлена турбинка 2 с лопастями, изогнутыми по винтовой линии. Турбинку изготов­ляют из пластмассы (при температуре измеряемой жидкости до 30 °С) или из латуни (при более высоких температурах жидкости). Ось и тело турбинки выполняют полыми для уменьшения силы тяжести и давления на цапфы. На оси турбинки перед задним подшипником 3, закрепленным на крестовине 4, насажена чер­вячная пара, передающая вращение редуктору 5. От механизма движение передается осью, проходящей через сальник 6, счетному механизму 7. Счетный механизм герметически изолирован от корпуса прибора.

Перед турбинкой со стороны входа жидкости установлен струевыпрямитель, состоящий из нескольких радиально закреп-

Рис. 17.2. Схема скоростного счетчика жид­кости с винтовой вертушкой

Рис. 17.3. Схемы движения жидкости в одноструйном (с) и многоструйном (б) счетчиках

Ленных прямых пластин. Конец одной из пластин струевыпрями- теля поворачивается вокруг вертикальной оси, образуя лопасть 8, служащую для регулирования счетчика через рычажный привод.

Для каждого счетчика существует определенный минимальный расход, ниже которого точность измерения становится весьма низкой. Точная работа счетчика возможна в том случае, когда распределение скоростей по сечению потока соответствует градуи- ровочному распределению. Наличие местных сопротивлений (вен­тилей, колен, задвижек) вблизи прибора вызывает появление дополнительных погрешностей; поэтому при установке при­бора необходимо предусматривать перед ним прямой участок трубопровода длиной (8—10) D, а после него — длиной не менее 5D (где D — внутренний диаметр трубопровода).

В зависимости от способа подвода жидкости к турбинке счет­чики с крыльчатой турбинкой подразделяются на одноструйные (рис. 17.3, а) и многоструйные (рис. 17.3, б). В обоих случаях жидкость подводится тангенциально к лопастям турбинки.

Счетчики с крыльчатой турбинкой устанавливают на горизон­тальных участках трубопроводов. Из-за недостаточно развитой поверхности струевыпрямителя перед счетчиком и за ним должны быть прямые участки трубы длиной соответственно 30D и 15D. Калибр счетчика может быть меньше диаметра трубопровода. В этом случае счетчики устанавливают с коническим переходом. Скоростные счетчики рассчитаны на рабочее давление жидкости до 0,98 МПа и температуру до 40 °С. Погрешность счетчиков в за­висимости от расхода +2—5 %.

СЧЕТЧИКИ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ

Из счетчиков для газов наиболее распространены ротацион­ные счетчики (рис. 17.4). Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха 2, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах ро­

торы 1. Валы роторов связаны зуб­чатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов враще­ние передается счетному механизму. Шарико- или роликоподшипники ва­лов, а также зубчатые колеса находят­ся в масляных ваннах и заключены в картеры. Тонкий валик, соединяющий вал ротора со счетным механизмом, проходит через сальник в стенке кар­тера. Зазор между роторами и кожу­хом очень мал (порядка 0,12 мм).

Принципиальная схема ротационного счетчика

В положении, изображенном на схеме, правый ротор не вра­щается под действием газа (давления на обе стороны ротора оди­наковые). На верхнюю часть левого ротора действует газ с более высоким давлением, чем на нижнюю; левый ротор поворачивается, увлекая за собой правый. Когда правый ротор стоит вертикально (а левый горизонтально), то он поворачивает левый. За один оборот обоих роторов объем газа, прошедшего через прибор, равен объему измерительной камеры счетчика.

Перепад давлений газа в счетчике контролируется дифферен­циальным манометром.

Ротационные счетчики применяют для измерения расхода газа «т 40 до 10 000 м³/ч. Погрешность измерений составляет ±2— 3 %. Счетчик допускает кратковременную перегрузку до 30 %.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений. Измерение расхода по этому методу основано на изме­нении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измери­тельной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Диафрагма (рис. 18.1) представляет собой тонкий диск, уста­новленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было кон- центрично внутреннему контуру сечения трубопровода.

Сужение потока начинается до диафрагмы; затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения (диаметр d₂)> ^а Далее постепенно рас­ширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Давление потока около стенки трубопровода несколько воз­растает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повы­шается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давле­ния р_п определяется главным образом потерей энергии на трение и завихрения.

Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключе

Рис. 18.1. Характер потока и гра­фик распределения статического давления при установке сужаю­щего устройства в трубопроводе

нием участка перед диа­фрагмой и непосредственно в ней, где давление по­тока по оси трубы сни­жается (штриховая линия). Разность давлений р{ — р2 является перепадом, зави­сящим от расхода проте­кающей через трубопро­вод среды.

Характер потока и распределение давления одинаковые во всех типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому оста­точная потеря давления р_п в сопле меньше, чем в диафрагме. Еще меньше потери давления р_п в сопле Вентури, профиль кото­рого близок к сечению потока, проходящего через сужение.

Из трех типов сужающих устройств наиболее часто применяют диафрагму.

При измерении расхода по методу переменного перепада давле­ний протекающее вещество должно полностью заполнять все сече­ние трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужа­ющее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.).

Теория и основные уравнения метода переменного перепада давлений одинаковы для сужающих устройств всех видов; раз­личаются лишь некоторые коэффициенты в уравнениях, опре­деляемые опытным путем.

Выведем уравнение расхода для случая, когда в трубопроводе установлена диафрагма, и по трубопроводу протекает несжима­емая жидкость, плЬтность которой до и после сужения остается неизменной.

Выделим в трубопроводе два сечения (рис. 18.1): I — сечение, в котором еще нет влияния сужающего устройства на характер потока в трубопроводе; II — в месте наибольшего сжатия струи на некотором расстоянии за диафрагмой. Обозначим: s_b s„, s₂ — площади поперечного сечения соответственно трубопровода, отвер­стия диафрагмы и наиболее суженного места струи, м²; р_ъ р₀, Рг — абсолютные давления жидкости в соответствующих сечениях потока, Па; v_lt v₀, v_% — средние скорости в указанных сечениях потока, м/с.

Из условия неразрывности струи следует s^ = s₀t»₀ = s₂v₂ или Sq/si = v_x/v₀ и s₂/s₀ = vjv₂.

Отношение s₀/s_x — m согласно ГОСТ 18083—72 называется относительной площадью сужающего устройства (модуль сужа­ющего устройства), а отношение s₂/s₀ = fx — коэффициентом суже­ния струи; тогда v_x/v₀ = т и v₀/v₂ = [х. Из этих отношений на­ходим

Для несжимаемой жидкости при постоянной плотности и от­сутствии обмена энергии с окружающей средой с учетом потерь и неравномерности распределения скоростей для сечений / и II горизонтального трубопровода напишем уравнение Бернулли:

где р/р — статический напор, соответствующий потенциальной энергии; v²/2 — скоростной напор, соответствующий кинетической энергии; р — плотность жидкости, кг/м³; |if/2 — потери ки­нетической энергии на участке I—II; | — коэффициент сопро­тивления на*участке I—II; k_x и k₂ — поправочные коэффициенты на неравномерность распределения скоростей в сечениях I и II.

С учетом уравнения объемного расхода для несжимаемой жидкости Q = v₂s₂ = tyiSo, где Q — в м³/с, получим

Подставив в уравнение (18.2) значение v_x из уравнения (18.1) и решив уравнение (18.2) относительно v₂, получим

При выводе этого уравнения абсолютные давления р[ и р2 соответствуют площадям сечений Sj и s₂; в действительности же р\ и р2 замеряют непосредственно у стенки трубопровода до и после сужающего устройства и они соответствуют давлениям р\ и р2- Обозначив -ф = (р[ — р2)1(р_х — р₂), получим

Безразмерное выражение а = fxj/ijj/j/g + k₂ — k_xm^z[i^z на­зывают коэффициентом расхода. Коэффициент расхода учитывает неравномерное распределение скоростей по сечению потока, об­условленное вязкостью жидкости и трением о стенки трубопро­вода, измерение давления не в центре потока, а у стенок трубо­провода и введение в уравнение расхода сечения s₀ вместо не­определенного наименьшего сечения струи s₂. Коэффициент рас

ХоДа Для сужающих устройств различных типов определяют опытным путем.

Уравнения расхода для несжимаемой жидкости в объемных (м³/с) и массовых (кг/с) единицах имеют вид соответственно

При измерении расхода сжимаемых сред (газов и паров), осо­бенно при больших перепадах давления в сужающем устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности р вследствие по­нижения давления при прохождении через сужающее устройство, в результате чего массовый расход (а также объемный, отнесенный к начальному значению р) несколько уменьшается.

Время прохождения газов и паров через сужающее устройство настолько незначительно, что их сжатие и последующее расшире­ние происходят практически без обмена теплотой с окружающей средой, т. е. адиабатически. Для адиабатического процесса спра­ведливо соотношение

где k — показатель адиабаты.

Для газов и паров уравнения Бернулли и неразрывности потока запишем в виде

где |х_к — коэффициент сужения потока для газов и паров, завися­щий от отношения давлений р'\1р'ч-

Решив совместно уравнения (18.6) и (18.7) с учетом выражения (18.5), получим уравнения расхода для газов и паров в объемных (м³/с) и массовых (кг/с) единицах соответственно

где е — поправочный множитель на расширение измеряемой среды, называемый коэффициентом расширения; — плотность среды перед входом потока в отверстие диафрагмы.

Уравнения (18.8) и (18.9) действительны только при условии, Что скорость потока в сужающем устройстве меньше критической скорости, т. е. меньше скорости звука в данной среде.

Уравнения расхода для газов и паров отличаются от уравнений расхода для несжимаемой жидкости только поправочным множи'Гелем е. Следовательно, уравнения (18.6) и (18.9) являются об­щими и пригодны также для несжимаемой жидкости, если при­нять е = 1.

Для сопел и сопел Вентури сечение наиболее суженной части потока практически можно принять равным сечению цилиндрической части сопла и сопла Вентури, поэтому

Расчетные формулы. Для удобства расчета в формулах расхода (18.8) и (18.9) площадь сечения отверстия сужающего устройства s₀ заменяют диаметром отверстия d, выраженным в миллиметрах. В практике, удобнее^пользоваться часовым, а не секундным рас­ходом.

Если заменить s₀ = nd²/4, то формулы расхода можно пере­писать в виде

здесь Q и Q_M — соответственно в м³/ч и кг/ч.,

Обозначив внутренний диаметр трубопровода через D, с уче­том, что d²/D² — т, уравнения (18.10) и (18.11) можно переписать в виде

Так как дифманометры, работающие совместно с сужающими устройствами, в соответствии с Правилами 28—64 градуируют в кгс/м² или в кгс/см², преобразуем уравнения расхода, чтобы перепад давления в них был выражен в кгс/м². Для этого уравне­ния (18.12) и (18.13) надо умножить на V 9,81. С учетом, что 4-10~³|/ 9ДГ = 0,01252, получим

Последние формулы являются основными при расчете сужа­ющих устройств; в них d в мм; р в кг/м³ и (р_х — р₂) ^в кгс/м².

Коэффициент расширения

При измерении расхода газа часто необходимо приводить со­стояние газа к нормальным условиям. Объемный расход в м³/ч

Из уравнений (18.8) и (18.9) следует, что для однозначной зависимости расхода от перепада давления на сужающем устрой­стве необходимо постоянство всех остальных величин, входящих в эти уравнения.

Величина s₀ постоянна для каждого конкретного случая.

Коэффициент расхода а зависит от геометрической формы сужающего устройства и физических свойств потока измеряемой среды. Для определения коэффициента расхода используют тео­рию подобия, так как для всего многообразия потоков опреде­лить а экспериментально практически очень трудно.

Из теории подобия следует, что если потоки геометрически подобны, то при разных числах Рейнольдса для этих потоков коэффициенты расхода равны. Для перенесения результатов измерения одного потока на другой должно быть соблюдено гео­метрическое и гидродинамическое подобие. Для однотипных сужа­ющих устройств геометрическое подобие достигается равенством величины т и одинаковым соотношением размеров поверхностей, ограничивающих рассматриваемые потоки. Гидродинамическое подобие потоков достигается равенством чисел Рейнольдса. В об­щем случае коэффициент расхода для сужающих устройств вы­ражается зависимостью а = f (Re, т).

Экспериментально установлено, что коэффициент расхода за­висит от характера движения только до определенного значения числа Рейнольдса, выше которого он определяется только вели­чиной т.

На рис. 18.2 и 18.3 приведены диаграммы для определения исходного коэффициента расхода а_и диафрагм и сопел при раз­личных значениях т и числа Рейнольдса.

На рис. 18.4 и 18.5 приведены зависимости исходного коэффи­циента расхода сужающих устройств от величины т для гладких труб. Для шероховатых труб коэффициент расхода обычно уве­личивается и в значение а_и необходимо вносить поправку. Если входная кромка диафрагмы закруглена или скошена, то коэффи­циент расхода также увеличивается.

сухого газа, приведенного к нормальным условиям, подсчитывают по формуле

Приведенный к нормальным условиям объемный расход влаж­ного газа определяют по формуле

В общем случае к исходному коэффициенту расхода вносят Две поправки — на шероховатость трубы и на затупление входной кромки:

СТАНДАРТНЫЕ СУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Для всех стандартных сужающих устройств коэффициенты расхода в широком диапазоне достаточно достоверны и воспроиз­водимы; поэтому указанные устройства можно применять без индивидуальной градуировки.

Стандартная диафрагма — наиболее простое ^распространен­ное сужающее устройство. Ее применяют без индивидуальной градуировки для трубопроводов D 50 мм при условии, что 0,05 < т < 0,7. Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым концентрическим отверстием (рис. 18.11), которое имеет со стороны входа острую цилиндрическую кромку, а далее расточено под углом <р = 30...45°. Входная кромка диафрагмы не должна иметь закруглений, вмятин, зазубрин, заусенцев.

Толщина диафрагмы Е не должна превышать 0,05D₂„ (где D₂₀ — диаметр трубопровода при температуре 20 °С). Длина ци­линдрического отверстия должна быть в пределах 0,005D₂„ с С е с 0,02D₂₀. У диафрагм толщиной более 0,02D₂₀ цилиндри­ческое отверстие должно переходить в коническую выходную часть. Для точной работы необходима строгая концентричность отверстия диафрагмы со стенками трубопровода. Отклонение дей

Диафрагма (стрелкой показано направление потока)

ствительного диаметра отверстия от сред­него значения, определенное не менее чем в четырех равноотстоящих одно от другого диаметральных направлениях, не должно превышать 0,05 %.

Диафрагму можно изготовлять из любых материалов, при выборе которых следует учитывать свойства контролируемой среды. Разъедание (притупление) острой кромки диафрагмы резко изменяет коэффициент рас­хода а, измерения становятся неточными. В связи с этим для рабочей части диафраг-.мы необходимо выбирать материал, химиче­ски устойчивый в среде и стойкий против

механического износа. Наиболее подходящие материалы — стали 12X17 (для среды с температурой до 400 °С) и 12Х18Н9Т (для среды с температурой выше 400 °С). При измерении расхода агрессивных жидкостей и газов следует применять кислотоупор­ные и жаростойкие стали различных марок, эбонит, винипласт, сплав свинца с сурьмой и др.

Измерение перепада давлений в сужающем устройстве обычно выполняют через отдельные цилиндрические отверстия (рис. 18.11 — нижняя часть А) или через две кольцевые камеры (камерная диафрагма), каждая из которых соединяется с вну­тренней полостью трубопровода кольцевой щелью (рис. 18.11 — верхняя часть Б). Отверстия должны выполняться таким обра­зом, чтобы края их были гладкими, без заусенцев. Кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления, что позволяет более точно измерять перепад давлений при небольших прямых участках трубопровода до и после диафрагмы.

При небольших давлениях в трубопроводах диаметром более 400 мм кольцевая камера может быть образована полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо (рис. 18.12) или прямо­угольник. При этом число отверстий, соединяющих камеру с по­лостью трубопровода, должно быть не менее 4.

Размер с (см. рис. 1.8.11) (диаметр отверстия или ширина коль­цевой щели, соединяющей камеру с трубопроводом) при т < < 0,45 не должен превышать 0,03D_2o, а при т > 0,45 должен быть в пределах 0,01D₂₀ < с < 0,02D₂₀. Одновременно должны соблюдаться следующие условия: для чистых жидкостей и газов 1 мм < с < 10 мм; для паров, влажных газов и жидкостей, кото­рые могут испаряться в соединительных линиях, при измерении перепада давлений через отдельные отверстия 4 мм < с с 10 мм, через камеры — 1 мм < с < 10 мм..

БЕСКОНТАКТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Рассмотренные методы и приборы для измерения расхода жидкостей, паров и газов обладают рядом существенных недостат­ков, из которых основным является наличие контакта чувстви­тельного элемента с контролируемой средой и обусловленная этим потеря давления потока измеряемой среды. Существующие приборы для измерения расхода часто также недостаточно точны, не удовлетворяют повышающимся требованиям к стабильности показаний, надежности в работе и простоте обслуживания.

Специфические особенности процессов химической технологии определяют необходимость применения вспомогательной аппара­туры для защиты приборов от коррозии, отделения их от взрыво­опасных и токсичных сред. Применение разделительных сосудов, продувка нейтральным газом, изготовление сужающих устройств из специальных материалов и применение других специальных защитных устройств — все это в значительной степени снижает точность и надежность работы приборов.

В последнее время создан ряд бесконтактных методов и при­боров для измерения расхода.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электро­проводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внеш­него магнитного поля.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера при­ведена на рис. 22,1. Трубопровод 1 из немагнитного'материала (фторопласта, эбонита и др.) с перемещающейся в нем жидкостью расположен между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубо­провода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

Величина ЭДС в случае постоянного магнитного поля опре­деляется основным уравнением электромагнитной индукции

где В — магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; ^ — внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); у_ср— средняя скорость потока жидкости.

Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения) Е — 4BQ/(nd). Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропор­циональна объемному расходу.

В настоящее время электромагнитные расходомеры применяют лишь для жидкостей с электрической проводимостью не ниже Ю^-®— 10~^Б См/м.

Рис. 22.1.; Схема электро­магнитного расходомера

Существенные и основные недостатки электромагнитных рас­ходомеров с постоянным магнитным полем: возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации (см. с. 215) затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости. Другим недостатком расходомеров с постоянным магнитным по­лем является трудность усиления напряжения постоянного тока. В связи с этим расходомеры с постоянным магнитным полем применяют лишь при измерении расхода жидких металлов, пуль­сирующих потоков жидкости и при кратковременных измерениях,

когда поляризация не успевает оказать заметного влияния.

В настоящее время в пода­вляющем большинстве электро-

Рис. 22.2. Эквивалентная схема преобразователя электромаг­нитного расходомера

магнитных расходомеров применяют переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется во времени т с частотой то для трубопроводов круглого сечения ЭДС Е = B_maxdv_Cp sin ют

Р ⁴Q D

где B_msK = jB/(sin ют) — амплитудное значение магнитной ин­дукции; ю = 2л/ — круговая частота.

При переменном магнитном поле электрохимические процессы оказывают меньшее влияние, чем при постоянном.

На рис. 22.2 приведена эквивалентная схема преобразователя расходомера с переменным магнитным полем. Преобразователь расхода в этой схеме заменен эквивалентным генератором — Е\ R^-, С_я; С. Емкость С_п учитывает процесс поляризации электродов, который все^же проявляется на промышленной частоте, исполь­зуемой в расходомерах.

Зависимость между напряжением U, измеряемым прибором и ЭДС, развиваемой преобразователем, имеет вид U = Е/(1 +

+) > ^гД^е % — внутреннее сопротивление преобразователя; Z_H —

сопротивление нагрузки (измерительного прибора и соединитель­ных проводов). Для уменьшения влияния эффекта поляризации необходимо, чтобы Z_H Z. В электромагнитных расходомерах обычно Z„ > (100...150) Z. Уменьшения Z достигают увеличением частоты переменного магнитного поля и увеличением емкости С_п.

В современных электромагнитных.расходомерах для усиления сигнала, снимаемого с преобразователя, используют электронный усилитель с большим входным сопротивлением. При этом условии в большинстве случаев изменение сопротивления преобразователя при изменении параметров контролируемой среды не сказывается на показаниях. Это важное преимущество электромагнитных расходомеров.

В расходомерах с "переменным магнитным полем возникают помехи как в преобразователе, так и вне его. В основном на по­грешность измерения влияют помехи: паразитные от внешних цепей; емкостные от переменного тока, питающего электромагнит;, индукционные («трансформаторные») от магнитного поля пре­образователя. Первые две помехи удается устранить экранирова­нием прибора.

В^ преобразователе ЭМР столб жидкости между электродами и выводы электродов, замкнутые через измерительный прибор, образуют контур, в котором, как в обмотке трансформатора, переменное магнитное поле наводит трансформаторную ЭДС, не зависящую от скорости движения жидкости (расхода). Эта ЭДС Е_т = S2nfB_max cos (2л/т), где S =— площадь контура, перпендикулярного магнитному полю. Из последнего выражения видно, что трансформаторная. ЭДС пропорциональна частоте тока и сдвинута по фазе относительно полезного сигнала на угол 90°. При снижении частоты до 10 Гц трансформаторную ЭДС удается

свести к минимуму. Однако снижение частоты значительно услож­няет прибор. Получили распространение ЭМР, работающие на промышленной частоте (50 Гц). УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения рас­хода основан на явлении смещения звукового колебания движу­щейся жидкой средой.

Для измерения расхода в основном используют два метода. Один метод основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Приборы измерения этим методом называются фазовыми расходомерами.

Другой метод основан на измерении разности частот повторе­ния коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него. Эти при­боры называются частотными расходомерами.

Фазовые расходомеры. Если колебания распространяются в на» правлении скорости потока, то они проходят расстояние L (рис. 22.4) за время

где а — скорость звука в данной среде; v ■— скорость потока.

При распространении колебаний против скорости потока время

Отношение via весьма мало по сравнению с единицей (для жидкостей а 1000...1500 м/с; v я» 3...4 м/с), поэтому с большой степенью точности можно принять

Схема фазового расходомера

В фазовых расходомерах фиксирует­ся разность времени Дт = т_а — т^ Из уравнений (22.3) и (22.4)

На поверхности трубопровода (см.. рис. 22.4) расположены два пьезоэлектрических элемента 1 и 2. В качестве пьезоэлектри­ческих элементов используют пластины титаната бария, облада­ющие наиболее высоким пьезомодулем по сравнению с другими пьезоэлектриками. Пьезоэлемент 1 механическим переключате­лем 3 подключен к" генератору высокочастотных синусоидальных электрических колебаний. Иьезоэлемент преобразует электри­ческие колебания в ультразвуковые, которые направляются в кон­тролируемую среду через стенки трубопровода. Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические ко­лебания.

Наличие в схеме механического переключателя ограничивает возможность измерения быстро меняющихся расходов вследствие небольшой частоты переключений (порядка 10 Гц). Это можно исключить, если в трубопроводе установить две пары пьезоэле- ментов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой — против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать Два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми пропорционален скорости потока.

Частотно-пакетные расходомеры. Принцип действия этих рас­ходомеров основан на измерении частот импульсно-модулирован­ных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по Потоку жидкости и против него.

Структурная схема частотно-пакетного расходомера приведена на рис. 22.5. Генераторы Г создают синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц) и подают их через модуляторы М на излучающие пьезоэлементы П1 и ПЗ. Пьезоэлемент П1 создает

направленные ультразвуко­вые излучения (с частотой 10 МГц), которые восприни­маются пьезоэлементом П2. При неподвижной жидкости время распространения излу­чений, при расстоянии L

Рис. 22.5. Структурная схема частот- ио-пакетиого расходомера

между пьезоэлементами т_х = и а. Ьсли жидкость перемещается по трубе со скоростью v, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуковых колебаний равна v cos 6, следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами П1 и П2 по току жидкости т_х == LI (а + v cos 6). Соответственно время перемещения колебаний между пьезоэлементами ПЗ и П4 против направления потока т_а = L/(a — v cos 6).

Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителем- преобразователем УП включены в схему периодического модули­рования. Как только первые колебания, поступающие на прием­ные пьезоэлементы П2 и П4, достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, произойдет отключение генераторов от пьезоэлементов П1 и ПЗ, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых «пакетов достигнут приемных пьезопреобразователей и генерация последними электрических колебаний прекратится. В эти моменты модуляторы вновь про­пускают электрические колебания от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторяется. Частота модулирования сигналов зависит от скорости потока и направления ультразву­ковых колебаний (по потоку или против него).

Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, про­порциональна скорости движения жидкости:

Для конкретной конструкции -прибора cos 6 и L постоянны, поэтому Дf = fx — /_г = kv. Разность Д/ регистрируется, прибо­ром РП.

Разность частот прямо пропорциональна скорости v и не за­висит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздей­ствие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора. Диапазон измерения расхода приборами данного типа теоретически неограничен. Погрешность ультра­звуковых расходомеров примерно ±2 %.

Рис. 22.6. Калориметрический расходомер:

j _п2 — термометры сопротивления; 3 — элек­трический нагреватель

где q_t — количество теплоты, от­даваемой нагревателем жидкости или газу; k — поправочный коэф­фициент на неравномерность рас­пределения температур по сече­нию трубы; Q_M — массовый рас­ход жидкости или газа; с_р — удельная массовая теплоемкость (для газа при постоянном давлении) при температуре t = (t_x + 4- 4)/2; Д^ — разность температур нагреваемой среды до и после нагревателя.

В калориметрических расходомерах теплота к потоку подво­дится обычно электронагревателем. В этом случае

q_t = 0,24 PR. (22.6)

На основании выражений (22.5) и (22.6) можно определить массовый расход

Q_M = 0,24PRl(kc_v At).

Калориметрические расходомеры разделяются на две группы. В одной из них расход определяют по мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур At. В приборах другой группы расход определяют по разности температур At при постоянной мощности, подводимой к нагрева­телю. Разность температур At обычно измеряют с помощью тер­моэлектрических термометров или термометров сопротивления. Последние обладают тем преимуществом, что их можно выполнить в виде равномерной сетки, перекрывающей все сечение потока, и, таким образом, измерять среднюю по сечению температуру. Контролируемая среда обычно нагревается на 1—3 °С, поэтому даже при измерении значительных расходов потребляемая при­бором мощность невелика.

Преимущественно применяют расходомеры второй ^группы. В корпус расходомера (рис. 22.6). вмонтированы два термометра сопротивления 1 и* 2, включенных последовательно. Такая схема включения обеспечивает равенство сил тока в термометрах, что позволяет градуировать их непосредственно по разности темпе- ратур до и после нагревателя 3. Термометры сопротивления включают^в плечи моста, два плеча которого составляют рези­сторы постоянного сопротивления R1 и R2.

В последнее время разработаны калориметрические расходо­меры, предназначенные для измерения малых расходов газов в трубках диаметром 2—3 мм. Газ движется внутри трубки. Отли­чительной особенностью таких расходомеров является то, что снаружи на трубку навит электронагреватель и с обеих сторон от нагревателя на трубку навиты платиновые термометры сопротив­ления. Термометры сопротивления также включены в плечи мостовой схемы.

К преимуществам калориметрических расходомеров следует отнести высокую точность (погрешность +0,5—1 %), большой диапазон измерения (10: 1), возможность измерения пульсиру­ющих и малых расходов. Их недостатки — некоторая сложность устройств для автоматического поддержания заданной разности температур и постоянного расхода электроэнергии на нагрев потока.

Калориметрические расходомеры применяют преимущественно для измерения расхода газа.

Измерение уровня

§ 23.2. ПОПЛАВКОВЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

В поплавковом уровнемере перемещение поплавка на поверх­ности жидкости передается на показывающее устройство или преобразователь для преобразования перемещения или силы в выходной сигнал.

Подъемная (выталкивающая) сила, действующая на поплавок произвольной формы, по закону Архимеда (рис. 23.2)

Возможны два принципа построения поплавковых уровнемеров. В первом случае противодействующая сила создается силой тяжести поплавка G, т. е. F = G = const. Соответственно уро­вень погружения поплавка х = G/(Spg) = const, и поплавок повторяет изменение уровня жидкости, т. е. х = f (Я), где Н — уровень жидкости.

Во втором случае противодействующая сила создается пружи­ной и изменяется при перемещении поплавка. При этом поплавок имеет форму длинного цилиндра (буйка) переменного погружения.

На рис. 23.3 показано простейшее устройство с поплавком по­стоянного погружения. Поплавок 1 подвешен на гибком тросе, перекинутом через ролики 2. На другом конце троса укреплен груз 3 для поддержания постоянного натяжения троса. На тросе закреплена стрелка, показывающая на шкале 4 уровень жидкости. Таким простым устройством можно измерять уровень с достаточ­ной для большинства случаев точностью.

Недостатки простого поплавкового уровнемера — переверну­тая шкала (с нулем у верхнего края бака), погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса добавляется сила тяжести троса).

Недостатки простого поплавкового уровнемера устранены в поплавковом уровнемере, схема которого показана на рис. 23.4.

Рис. 23.3. Схема простейшего поплавко- РИС. 23.4. Поплавковый уровнемер с сель- вого измерители уровня свиным преобразователем

Поплавок 5 подвешен на тросе 4, навитом на барабан 3, один обо­рот которого соответствует перемещению поплавка на 0,5 м. На ось 2 барабана 3 насажено зубчатое колесо 7, соединяющееся с колесами сельсина 1 и счетчика 6. Натяжение троса обеспе­чивается противовесом 8, подвешенным на тросе 9 к барабану 10; последний установлен на общей оси с барабаном 3.

Вторичный прибор состоит из сельсина, кинематически свя­занного со счетным механизмом. При вращении ротора сельсина поворачиваются барабаны счетного механизма и в окошечках счетчика появляются цифры, соответствующие положению уровня. Во вторичном приборе имеются два контакта для сигнализации предельных положений уровня. Контакты могут быть настроены на любые точки в пределах шкалы прибора. Диапазон измерения уровня до 10 м.

На рис. 23.5 приведена схема перемещения цилиндрического поплавка переменного погружения.

Для положения, показанного на рис. 23.5, а, условие равно­весия поплавка (буйка) имеет вид

SlPag — LZ, (23.1)

где S — площадь поперечного сечения поплавка; р_п — плотность материала поплавка; g — ускорение свободного падения; Z ^— жесткость пружины.

Для положения, показанного на рис. 23.5, б, условие равно­весия имеет вид

Slpg — (Я — х) Spg = (L — х) Z, (23.2)

где р — плотность жидкости.

После вычитания из уравнения (23.1) уравнения (23.2) получим

(Я — х) Spg — LZ — (L — х) Z, (23.3)

откуда

. Из выражения (23.3) следует, что перемещение поплавка про­порционально изменению уровня жидкости; коэффициент про­порциональности меньше единицы (равен единице при Z = 0) и зависит от жесткости пружины. С увеличением жесткости пру­жины относительное перемещение поплавка снижается.

Для дистанционного измерения уровня жидкости применяют буйковые уровнемеры с унифицированными выходными сигналами постоянного тока 0—5 и 0—20 мА (типа УБ-Э) или давления воз­духа 0,002—0,1 МПа (тип УБ-П). Для преобразования перемеще­ния буйка в унифицированный электрический или пневматиче­ский сигналы используют преобразователи, аналогичные пока­занным на рис. 9.7 и 10,3.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е.⁴ р — Hpg. Существуют гидростатические уровне­меры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометри­ческие уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости.

Пьезометрические уровнемеры (рис. 23.7) применяют для из­мерения уровня самых разнообразных, в том числе агрессивных и вязких жидкостей в открытых резервуарах и в сосудах под давле­нием. Сжатый воздух или газ,, пройдя дроссель 1 и ротаметр 2, попадает в пьезометрическую трубку 3, находящуюся в резервуаре. Давление воздуха (газа), измеряемое манометром 4 любой системы, характеризует положение уровня жидкости в резервуаре. С начала подачи воздуха давление будет повышаться до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости высотой Н. В момент выравнивания этих давлений из трубки в жидкость начнет выхо­дить воздух, расход которого регулируют так, чтобы он пробулькивал отдельными пузырьками (примерно один пузырек в секунду). Расход воздуха устанавливают регулируемым дрос­селем 1 и контролируют ротаметром 2..

При измерении уровня жидкостей следует учитывать возмож­ность образования при определенных условиях статического электричества. В связи с этим при контроле легковоспламеня­ющихся и взрывоопасных жидкостей (сероуглерода, бензола, масел и др.) в качестве сжатого газа применяют двуокись углерода, азот, дымовые газы ил*и устанавливают специальные пьезометри­ческие уровнемеры.

Другим видом гидростатических уровнемеров является дифма­нометр любой системы, измеряющий давление столба жидкости в сосуде. Дифманометрами можно измерять уровень в открытых и закрытых сосудах, т. е..в сосудах, находящихся под давлением и разрежением. На рис. 23.8, а показана схема при измерении уровня в открытом резервуаре и установке дифманометра ниже дна резервуара.

Рис. 23.8. Гидростатические уровнемеры с не­посредственным измерением столба жидкости:

а — В открытом резервуаре; б — в резервуаре, Находящемся под давлением

Рис. 23.7. Пьезометрический уров­немер С продуванием воздуха

При использовании дифманометров для измерения уровня обязательно устанавливают уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня жидкостью, находящейся в резервуаре. Назначение уравнительного сосуда — обеспечение постоянного столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра меняется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значению уровня в резервуаре соответствует определенный перепад давлений, что позволяет по величине перепада, показываемого дифманометром, судить об уровне жидкости в резервуаре.

На рис. 23.8, б показана схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением, при установке дифма­нометра ниже дна резервуара. В этом случае уравнительный сосуд устанавливают на высоте максимального уровня и соеди­няют с контролируемым резервуаром.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

В электрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электриче­ских-уровнемеров наиболее распространены емкостные и омиче­ские. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред, в омических — свойство кон­тролируемой среды проводить электрический ток.

Емкостный уровнемер. Преобразователь емкостного уровне­мера является электрическим конденсатором, емкость которого зависит от уровня жидкости. Преобразователи емкостных уровне­меров выполняют цилиндрического и пластинчатого типов, а также в виде жесткого стержня.

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 23.9, а) выполнен из двух или нескольких концентрично расположенных труб, а пластинчатый (рис. 23.9, б) — из двух или нескольких параллельных пластин, между которыми находится слой жид­кости высотой h.

Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух уча­стков — погруженного в жидкость с диэлектрической проницае­мостью е,„ и находящегося в среде с диэлектрической проницае­мостью е_ср (для воздуха е_ср = 1').

В этих выражениях: h — измеряемая высота уровня, см; Н — высота сосуда, см; Dud — наружный и внутренний диа­метр труб преобразователя, см; а — расстояние между пла­стинами, см; b — ширина пластины преобразователя, см.

При измерении высоты уровня агрессивных, но неэлектропро­водных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из хими­чески стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой (винипластом или фторопластом), диэлектрические свой­ства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками, обладающими высокими изолирующими свойствами, применяют также при измерении уровня электропроводной жидкости.

Электрическую емкость измеряют обычно с применением ре­зонансных и мостовых схем. При резонансном методе конденсатор с контролируемой емкостью, включенный параллельно с катуш­кой индуктивности, образует резонансный контур, настроенный в резонанс с частотой питающего напряжения при" определенной начальной емкости преобразователя, которая соответствует на­личию или отсутствию контролируемого вещества на заданном уровне. Изменение емкости преобразователя приводит к измене­нию собственной частоты контура и срыву резонанса. Этот метод используют в большей части емкостных сигнализаторов уровня-. Принципиальные резонансные и мостовые схемы — см. § 28.2.

Омические уровнемеры используют главным образом для сигна­лизации и поддержания в заданных пределах уровня электропро­водных жидкостей (кислот, щелочей). Принцип действия омиче­ских сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представля­ющую собой участок электрической цепи с определенным омиче­ским сопротивлением. Практически омические сигнализаторы уровня можно применять для сред с проводимостью от 2 • 1СГ³ См/см • и более.

Емкость пластинчатого емкостного преобразователя при па­раллельном расположении пластин, пФ:

Прибор представляет собой электромагнитное реле, включае­мое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня (рис. 23.10) могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа кон­тролируемых уровней. На рис. 23.10, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня У можно использовать один электрод Э, одно реле Р и один провод. При контроле двух или более уровней (У1 и У2 — рис. 23.10, б) требуется соответствующее число реле и электродов PI, Р2 и Э1, Э2. На рис. 23.10, в показана схема, применяемая, когда стенки емкости нельзя использовать в ка­честве второго электрода.

При необходимости сигнализации об аварийном уровне при­меняют схему, приведенную на рис. 23.10, г (например, управле­ние насосом, откачивающим жидкость из резервуара). При за­полнении резервуара до уровня У2 через электрод Э2 включается реле Р1 и своим контактом создает цепь питания через электрод Э1. При этом включается насос, который откачивает жидкость до тех пор, пока уровень не снизится до У1. Если уровень жидкости достигнет отметки УЗ, то через электрод ЭЗ будет включено реле Р2, включающее резервный насос в цепи аварийной сигнализации. Отключение резервного насоса и сигнализации?произойдет при снижении уровня до отметки У1, так как реле Р2 своим контактом создает дополнительную электрическую цепь через электрод Э1.

В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости).

Основной недостаток всех электродных приборов — невоз­можность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преоб­разователей.

РАДИОИЗОТОПНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Положение уровня жидкостей или сыпучих материалов в за­крытых емкостях можно контролировать с использованием про­никающего у-излучения. Измерение уровня основано на погло­щении лучей при прохождении их через слой вещества. Интенгде J_x — интенсивность -у-лучей после прохождения слоя вещества толщиной х; J₀ — начальная интенсивность -у-излучения; р — коэффициент ослабления -у-излучения, зависящий от природы и толщины слоя вещества.

где pi, \х₂ — коэффициенты поглощения для соответствующих групп -у-лучей.

Для поглотителя сложного химического состава коэффициент ослабления

Зависимость (23.4) справедлива для узкого пучка монохрома­тического излучения и однородного поглотителя. Если спектр ■у-излучения состоит из нескольких линий, то ослабление выра­жается зависимостью

где q_x, q₂ — массовые доли составных частей вещества; р_ъ р₂ — плотности составных частей вещества.

Наиболее употребительные изотопы, испускающие -у-лучи, — это ^с0Со и ^l73Cs.

Возможны три принципиальные схемы радиоактивных уров­немеров (рис. 23.11). Схемы на рис. 23.11, а и б применяют в слу­чаях, когда излучатель нельзя поместить в сосуде. Схему, показан­ную на рис. 23.11, а можно применять в качестве сигнализатора максимального или минимального уровня (при неподвижных излучателе 1 и приемнике излучения 2) или для непрерывного измерения уровня (уровнемеры со следящей системой).

При небольшой высоте столба жидкости (для легких жидко­стей до 1 м) можно применять схему, показанную на рис. 23.11, б. Схему, приведенную на рис. 23.11, в, целесообразно применять в случаях, когда в сосуд можно поместить поплавок.

Радиоизотопный уровнемер со следящей системой типа УР-8 (рис. 23.11, а) предназначен для непрерывного бесконтактного контроля границы раздела двух сред различной плотности: газ — жидкость, жидкость — жидкость, газ — твердое или сы­пучее тело, жидкость — твердое или сыпучее тело, кипящая жидкость — пар (условный уровень).

Действие прибора основано на сравнении интенсивностей по­токов -у-лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред равной плотности.

сивность у- излучения при поглощении его веществом выражается экспоненциальной зависимостью

Прибор состоит из трех блоков