Методика виконання лабораторної роботи

Лабораторна робота №5

ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ

Мета роботи

Вивчення загальних методів вимірювання рівня, принципів роботи та будови рівнемірів і сигналізаторів рівня.

Загальні відомості

Рівень є непрямим показником гідродинамічної рівноваги в апараті. Усталеність рівня свідчить про дотримання матеріального балансу, коли приплив рідини дорівнює стоку, і швидкість зміни рівня відсутня.

За принципом дії прилади для вимірювання рівня розрізняються на наступні групи:

– візуальні (безпосереднє спостереження рівня за шкалою), до яких належать покажчик рівня (зонд) та оглядове скло, яке слугує для контролю рівня в закритих ємностях за допомогою метода сполучених посудин;

– поплавкові, де основним елементом приладу є поплавок, що плаває на поверхні рідини, і переміщується разом із зміною рівня рідини;

– буйкові або датчики за переміщенням, в яких застосовується буйок (циліндр з поперечним перерізом А), який частково або повністю занурений у вимірювану рідину; при зануренні на глибину h на нього дії виштовхувальна сила Архімеда , де – густина рідини, g – прискорення земного тяжіння;

– гідростатичні або за тиском, створюваним стовпчиком рідини висотою h, який дорівнює ;

– вагові, в яких вимірюється навантаження, що сприймається однією або кількома опорами ємності, де знаходиться рідина, рівень якої треба визначити;

– електричні, до яких відносяться електроконтактні (кондуктометричні), в яких здіснюється ступінчасте вимірювання або сигналізація рівня за допомогою електроконтактного приймача та ємнісні, що грунтуються на вимірюванні залежної від рівня електричної ємності конденсатора, утворюваного зануреним у рідину датчиком та стінками резервуару, де знаходиться вимірюване середовище;

– ультразвукові, засновані на швидкості розповсюдження високочастотних хвиль в різних середовищах; радіоізотопні та інші.

Електричні рівнеміри

В основі роботи електричних рівнемірів покладено використання електрофізичних властивостей рідин або сипких матеріалів, а саме кондуктометричного та ємнісного принципів вимірювання.

Кондуктометричні (від англ. – conductor – провідник) прилади працюють за принципом фіксації моменту появи провідності між електродами, що введенні у вимірюване середовище. Найпростішими пристроями такого типу є сигналізатори рівня, які спрацьовують за умови замикання двох електродів, що знаходяться у вимірювальній ємності, контрольованим електропровідним середовищем. Роль одного з електродів може виконувати металева стінка ємності (апарату), яка має бути заземленою, а інший електрод повинен бути якісно ізольованим від неї.

В даній лабораторній роботі в якості сигналізатора рівня використовуються сигналізатор рівня рідких або сипких середовищ з дистанційним керуванням САУ-М7Е (фірми ОВЕН), функціональна схема якого наведена на рис. 5.1.

а б

Рис.5.1. Сигналізатор рівня САУ-М7Е: а – функціональна схема, б – зовнішній вигляд

Контроль рівня сигналізатором рівня САУ-М7Е здіснюється за допомогою трьох датчиків. Датчики можуть бути наступних типів:

– кондуктометричні (контролюють ступінь електропровідності середовища);

– активні датчики (ємнісні, індуктивні, омічні та ін.) з вихідними ключами типу n–p–n, які застосовуються для роботи з дієлектричними та сипкими матеріалами;

– механічні контактні пристрої (застосовуються в пристроях поплавкового типу).

Основними елементами приладу САУ-М7Е є:

– 3 вхідних пристрої порівняння (компаратори), які порівнюють напругу вхідного сигналу U_вх з опорною напругою U_опор. При виконанні умови компаратори перемикаються в стан, відповідний досягненюю заданого рівня.

– вихідні пристрої (реле), призначені для управління технологічним обладнанням. Реле ВЕРХслугує для формування аварійного сигналу у випадку перевищення контрольованою речовиною граничного верхнього рівня. Реле керується за сигналами компаратора 1. Реле РАБОТА керує електроприводом виконавчого механізму (насоса, електромагнітного клапана і т.ін.) і керується блоком логіки за сигналами від компараторів 2 та 3 або від кнопок ручного керування.

Рис. 5.2. Часова діаграма роботи вихідних реле САУ-М7Е

в режимі заповнення резервуара

Ємніснірівнеміри ісигналізатори рівня використовуть переворення зміну рівня різних матеріалів (рідин, сипких речовин) в зміну електричної ємності конденсатора, який утворюється між електродом і корпусом металевого резервуару. Роль дієлектрика в цьому випадку виконує контрольоване середовище. В чутливих елементах цього типу використовується різниця диелектричної постійної (діелектричної проникності) рідини та газу (діелектрична проникність рідин в 4...80 разів більша від діелектричної проникності газів).

а б

Рис. 5.3. Схема ємнісних рівнемірів: а – для неелектропровідних середовищ; б– для електропровідних середовищ

Чутливий елемент ємнісного рівнеміра складається з двох коаксиально (один в одному) розташованих електродів 1 та 2, частково занурених у вимірюване середовище. Електроди утворюють циліндричний конденсатор, міжелектродний простір якого до висоти h заповнений рідиною або вимірюваним середовищем, а простір – парогазовою сумішшю. Для фіксування взаємного розташування електродів передбачений ізолятор 3.

В загальному випадку електрична ємність циліндричного конденсатора визначається рівнянням

(5.1)

де – відносна діелектрична проникність речовини, що заповнює міжелектродний розчин;

– діелектрична проникність вакууму;

H– висота електродів, м;

– діаметри відповідно зовнішнього та внутрішнього електродів, м.

Повна ємність циліндричного конденсатора С_п дорівнює:

, (5.2)

де – емність прохідного ізолятора;

– ємність міжелектродного простору, заповненого вимірюваним середовищем;

– ємність міжелектродного простору, заповненого парорідинною сумішшю.

Зміна рівня приводить до зміни його в міжелектродному просторі датчика, що викликає в свою чергу зміну його ємності .

Для вимірювання рівня електропровідних матеріалів електроди покриваються шаром ізоляції (фторопластом) (рис. 5.3, б).

Перетворення електричної ємності чутливих елементів у сигнал вимірювальної інформації здійснюється резонансним (із застосування коливального контуру, який входить до складу генератора високочастотних коливань) або імпульсним методом. Також можливо застосування мостів змінного струму із самозрівноваженням.

В даній лабораторній роботі в якості сигналізатора рівня ємнісного типу розглядається компактний ємнісний двопровідний сигналізатор рівня Pointek CLS 100 (фірми Siemens) (рис. 5.4, а) та вимірювач рівня Sitrans LC 300 (рис. 5.4, б).

а б

Рис. 5.4. Зовнішній вигляд: а – сигналізатор рівня Pointek CLS 100; б – рівнемір Sitrans LC 300

Гідростатичні рівнеміри

Гідростатичні прилади займають важливе місце при вимірюванні рівня агресивних розчинів та речовин, що швидко кристалізуються, і застосовується для вимірювання рівня в ємностях, які знаходяться під тиском. У цих приладах вимірювання рівня рідини базується на вимірюванні гідростатичного тиску, створюваного рідиною, на дно резервуару. Загальне рівняння для тиску Р стовпа для нерухомої рідини має вигляд:

,(5.3)

де - густина рідини, кг/м ; Н – висота стовпа рідини (рівень), м; g– прискорення вільного падіння, м/с .

Умова вимірювання рівня вимагає підтримання густини на постійному значенні.

Вимірювання гідростатичного тиску здійснюється:

– манометром, що встановлюється на висоті, що відповідає нижньому граничному значенню рівня;

– диференціальним манометром, що під’єднується до резервуару на висоті, яка відповідає нижньому граничному значенню рівня, та до газового простору над рідиною;

– вимірюванням тиску газу (повітря), що продувається трубкою, зануреною на фіксовану глибину в рідину, яка заповнює резервуар (п’єзометричний рівнемір).

Рис. 5.5. Вимірювання гідростатичного тиску: а) – манометром; б)– диференціальним манометром

В даній лабораторній роботі в якості вимірювача тиску стовчика рідини застосовано перетворювач типу KPT-C, призначений для вимірювання надлишкового тиску нейтральних до титану та нержавіючої сталі середовищ (газу, пари, рідини) і перетворення вимірюваного тиску в уніфікований вихідний сигнал постійного струму.

Перетворювач КРТ-С складається з вимірювального та електронного блоків, розташованих в одному корпусі.

Принцип дії перетворювача заснований на дії вимірюваного тиску на мембрану тензоперетворювача та переворенні електричного сигналу на виході з нього електронним блоком в стандартний струмовий сигнал 0…5, 0…20, 4…20 мА.

Тензодатчик являє собою спеціальної форми резистор (рис. 5.6), розташований на тонкій основі, яка під дією прикладених сил деформується й тим самим змінює опір тензодатчика:

(5.4)

де поперечний переріз, довжина, питомий опір.

Рис. 5.6. а) – принцип дії тензодатчика (на прикладі дрота);

б) – тензодатчик з металевої фольги

Принцип роботи манометра із застосуванням тензодатчиків пояснюється рис. 5.7. На консолі, яка деформується разом із діафрагмою під дією тиску, наклеєні або напилені чотири тензодатчики. Вони з’єднуються в схему незрівноваженого моста, вихідний сигнал якого у вигляді напруги пропорційний прикладеному тиску:

. (5.5)

а) б)

Рис.5.7. а) – Принципова схема тензометричного діафрагмового датчика;

б) – мостова вимірювальна схема з тензодатчиками.

Стандартний електричний сигнал 4…20 мА від перетворювача КРТ-С надходить на вимірювач двоканальний типу ТРМ200 фірми «ОВЕН», який слугує для отримання візуальної інформації про рівень в резервуарі.

Прилад ТРМ200 (рис. 5.8) має два універсальних входи для підключення датчиків температури, тиску, вологості та ін.; здійснює цифрову фільтрацію та корекцію вхідного сигналу, масштабування шкали для аналогового входу; розраховує різницю вимірюваних величин (за необхідності); здійснює індикацію поточних значень виміряних величин та їх різниці на двох вмонтованих 4-х розрядних світлодіодних цифрових індикаторах; вираховує та показує квадратний корінь від виміряної величини (прикладом, для вимірювання міттєвої витрати).

а б

Рис. 5.8. Прилад ТРМ200: а– зовнішній вигляд; б – функціональна схема приладу

П’єзометричний рівнемір (рис. 5.8) складається із вимірювальної камери, яку утворюють: п’єзометрична трубка 1, що занурена в резервуар з контрольованою рідиною якомога ближче до його дна; контрольний пристрій 2, призначений для візуального контролю якості проходження стисненого повітря через шар рідини; манометра 5, який приєднуєднаний до трубки 1 для вимірювання тиску Р повітря у п’єзометричній трубці.

Живиться система стисненим повітрям (Р =140 кПа), яке подається від компресора через фільтр 4, що забезпечує очищення повітря, і редуктор 3, призначений для регулювання постійного тиску повітря.

Рис. 5.8. П’єзометричний рівнемір

В п’єзометричному рівнемірі висота стовпа рідини (за умови, що густина ) впливає на швидкість виходу повітря з нижнього каліброваного отвору п’єзометричної трубки. При збільшенні рівня збільшується гідростатичний тиск стовпчика рідини, що, в свою чергу, впливає на тиск повітря, яке проходить п’зометричною трубкою, й вимірюється манометром 5. Для цього випадку покази манометра прямопропорційні рівню рідини в резервуарі:

.

Необхідною умовою надійної роботи п’єзометричних рівнемірів є те, що повітря повинно виходити з нижнього отвору п’єзометричної трубки окремими бульбашками, які піддаються підрахунку (30–80 бульбашок в хвилину).

Подібні прилади використовувються для вимірювання рівня агресивних та забруднених рідин, а також рідин, що швидко кристалізуються. Прилади забезпечують точність вимірювання в межах 1,5 – 2,5 % від діапазону вимірювання.

В даній лабораторній роботі в якості вимірювача тиску при роботі з п’єзометричним рівнеміром застосованийперетворювач тиску в електричний сигнал типу ПТЕ-4.

Принцип дії пневмоелектричного перетворювача ПТЕ-4 базується на перетворенні виміряного тиску в стандартний електричний сигнал у спеціальній робочій камері за допомогою тензорезисторних перетворювачів.

Перелік приладів

Сигналізатор рівня САУ-М7Е

Напруга живлення, В 220, 50 Гц

Кількість каналів контролю 3

Типи датчиків кондуктометричні;

активні з з вихідними

ключами n-p-n типу;

механічні

Кількість вмонтованих вихідних реле 2

Перетворювач електро-пневматичний типу ПРТ-4

Кількість каналів, шт 4

Діапазон вхідного сигналу, кгс/см² 0,1–1,0

Вихідний сигнал, постійний струм, мА 4…20

Напруга живлення, В 24

Клас точності 0,5

Перетворювач тиску типу КРТ-С

Межі допустимої основної похибки , % 0,5

Вихідний сигнал, постійний струм, мА 4…20

Живлення – постійний струм напругою, В 36 + 0,72

Методика виконання лабораторної роботи

Методика проведення роботи полягає в тому, що рівень вимірюється за лінійкою, яка розташована на прозорому резервуарі (візуальний метод вимірювання рівня). Отримані дані одночасно порівнюються з показами приладу ПТЕ-4 (покази виводяться на шкалу приладу у відсотках до діапазону вимірювання) (п’єзометричний метод), та з показами вторинного прилада ТРМ-200 (покази відповідають см. вод. стовпа), який працює з перетворювачем тиску типу КРТ-С (гідростатичний метод), під час наповнення (прямий хід) та випуску води з резервуару (зворотний хід). Результатом роботи є встановлення відповідності приладів своєму класу точності.

Порядок виконання роботи

5.5.1. Подати електричне живлення на стенд тумблером “Живлення ~220В” та пневматичне живлення від компресора.

5.5.2. Включити живлення пневмо-електричного перетворювача «ПТЕ-4»,перетворювача «КРТ-С»таживлення мікропроцесорного приладу «ТРМ200», який перетворює струмовий вихідний сигнал КРТ-С у цифровий сигнал рівня рідини.

5.5.3. За допомогою вентиля подачі води в резервуар виставити мінімальний рівень води в ємності на відмітці 2100 мм, що відповідає нижньому (початковому) значенню або нульовому положенню рівня. Зняти покази з цифрового індикатора ПТЕ-4 та цифрового індикатора ТРМ 200, які відповідають цьому значенню лінійки, та записати їх відповідно як «Початкове значення показів рівнеміра» ( спочатку в % від діапазону вимірювання) в таблицю 1 для ПТЕ-4, та в таблицю 2 для КРТ-С, перевівши покази ТРМ-200 у мм. У рядках «Приріст по лінійці», що відповідають значенню = 0 мм для прямого ходу записати 0 мм.

5.5.4. За допомогою вентиля подачі води збільшувати рівень води від початкового значення до верхньої межі діапазону вимірювання з дискретністю (+ 100 мм ). Покази рівнемірів, що відповідають приростам рівня у напрямку його зростання та у відповідності із значеннями колонки «Лінійка» , записувати одночасно у колонки «Покази» «Прямий хід» таблиць 1 та 2 у відповідний рядок та комірку.

5.5.5 Після досягнення верхньої межі вимірювання (2900 мм) з аналогічною дискретністю зробити зворотний хід, випускаючи воду із ємності за допомогою вентиля випуску води. Значення показів рівнемірів записувати у відповідну колонку «Зворотний хід».

5.5.6. Вимкнути тумблер «ПТЕ-4», «ТРМ 200» та“Живлення ~220 В” .

5.5.7. Результати вимірювань за приладом ПТЕ-4, що отримані в % , перерахувати у мм для дослідженого діапазону вимірювань від 0 до 800 мм.

Для обох приладів розрахувати реальну статичну характеристику перетворення (пряму та зворотну) в указаному діапазоні з урахуванням їхніх початкових показів . Різницю ( ) записувати у комірки таблиць, де знаходяться результати вимірювань, які відповідають показам приладів, переведених у мм вод. стовпа.

5.5.8. Розрахувати та занести в таблиці 5.1 та 5.2 похибки обох приладів по результатам проведених вимірювань.

5.5.9. Зробити висновки по роботі.

Таблиця 5.1

Лінійка, мм	Покази ПТЕ-4 за умови ходу, в %	Варіа- ція, мм	Похибки за умови ходу
Початкове значення «2100 »	Початкове значення показів рівнеміра у %: ____________ « »	Абсолютна, мм	Відносна, %	Приведена %
Приріст по лінійці, , мм	Прямого ,	Зворотного ,	прямого	зворот-ного	прямого	зворот-ного	прямого	зворот-ного

Таблиця 5.2

Лінійка, мм	Покази ТРМ200 за сигналом від КРТ-С, мм	Варіа- ція, мм	Похибки за умови ходу
Початкове значення «2100 »	Початкове значення показів рівнеміра у мм: ____________ « »	Абсолютна, мм	Відносна, %	Приведена %
Приріст по лінійці, X , мм	Прямого , мм	Зворотного , мм	прямого	зворот-ного	прямого	зворот-ного	прямого	зворот-ного

5.6. Контрольні запитання