сти электрической емкости чувствительного элемента от уровня
жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы вы-
полняются в виде коаксиально расположенных цилиндрических
электродов или параллельно расположенных плоских электродов.
Для неэлектропроводных жидкостей применяется уровнемер,
схема которого показана на рис. 4.2. В этом уровнемере чувствитель-
ный элемент состоит из двух коаксиально расположенных электродов
/ и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют ци-
линдрический конденсатор, межэлектродное пространство которого
до высоты h заполнено жидкостью, а пространство Н — h — парога-
зовой смесью. В общем виде электрическая емкость цилиндрическо-
го конденсатора определяется уравнением
где в — относительная диэлектрическая проницаемость вещества,
заполняющего межэлектродное пространство; ε0 — электрическая
постоянная; Н — высота электродов; D, d — диаметры наружного и
внутреннего электродов соответственно.
Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное простран-
ство которого заполняется веществами, обладающими различными
диэлектрическими проницаемостями, полная емкость Сп определя-
ется выражением
Сп = С0+ С1 + C2,
где С0 — емкость проходного изолятора; С, — емкость межэлектрод-
ного пространства, заполненного жидкостью; С2 — емкость межэлек-
тродного пространства, заполненного парогазовой смесью.
Таким образом, полная емкость чувствительного элемента будет
равна
Таким образом, емкость чувствительного элемента пропорцио-
нальна уровню жидкости. Для измерения уровня электропроводных
жидкостей электроды конденсатора покрывают фторопластовой изо-
ляцией.
Преобразование электрической емкости в сигнал измерительной
информации осуществляется импульсными методами. В основе им-
пульсных методов лежат переходные процессы в У?С-цепи, периоди-
чески подключаемой к источнику питания. Используются также
неуравновешенные мосты переменного тока, в одно из плеч которо-
го включается емкость первичного преобразователя.
Условия применения емкостных уровнемеров по характеристикам
рабочей среды: температура -40... + 200 "С, давление — до 2,5 МПа,
диапазон измерения — до 3 м (30 м — для гибких и тросовых чув-
ствительных элементов). Основная приведенная погрешность ем-
костных уровнемеров лежит в пределах от 1 до 3 %.
Емкостные уровнемеры чаще применяют для измерения уровня
чистых, однородных и неэлектропроводных жидкостей (бензин, ке-
росин). Это связано с тем, что такие факторы, как загрязнение
электродов, изменение диэлектрических свойств и электрической
проводимости измеряемой среды, приводят к недопустимой погреш-
ности измерений.
4.2.6. Акустические уровнемеры
В акустических уровнемерах (рис. 4.3) уровень определяют по
времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до
границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Функ-
ции источника и приемника ультразвуковых колебаний выполняет
пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает
электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом в
ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространя-
ются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды
и воспринимаются тем же пьезоэлементом. Уровень вещества h
определяется из выражения
где Н — высота резервуара; с — скорость распространения ультра-
звука в данной среде; / — время прохождения ультразвуком расстоя-
ния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до при-
емника излучения.
Преимуществом акустических уровнемеров является независи-
мость их показаний от физико-химических свойств и состава рабо-
чей среды. К недостаткам следует отнести влияние на показания
уровнемеров температуры, давления и состава газа, от которых за-
висит скорость звуковых волн. Скорость распространения ультра-
звука зависит от температуры — изменение составляет около 0,18 %
на 1 °С. Для устранения этого влияния в ультразвуковых уровнемерах
применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодат-
чика.
Диапазон работы акустических уровнемеров — до 25 м. Основная
приведенная погрешность измерений составляет 1... 2 %. Температур-
ный диапазон рабочей среды -30... + 120 "С, давление — до 4 МПа.
4.2.7. Радарные уровнемеры
Радарные уровнемеры — наиболее сложные и высокотехнологич-
ные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и
определения расстояния до объекта контроля здесь используется
электромагнитное излучение СВЧ-диапазона. Обычно рабочая ча-
стота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до
26 ГГц. Чем выше частота, тем уже луч и тем выше энергия излучения,
а следовательно, сильнее отражение.
В настоящее время в радарных системах контроля уровня при-
меняются преимущественно две технологии: с непрерывным частот-
но-модулированным излучением (FMCW — frequency modulated
continuous wave) и импульсным излучением сигнала.
Принцип действия уровнемера с частотно-модулированным
сигналом заключается в следующем (рис. 4.4, а). Микроволновый
генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого
изменяется во времени по линейному закону — линейный частотно-
модулированный сигнал. Этот сигнал излучается в направлении
продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное
время ∆t, зависящее от скорости света и расстояния до продукта,
возвращается обратно в антенну Излученный и отраженный сигналы
смешиваются в антенне уровнемера, и в результате образуется сигнал,
частота которого равна разности частот излученного и принятого
сигналов ДГи, соответственно, расстоянию от антенны до измеряе-
мого продукта (рис. 4.4, в). Дальнейшая обработка сигнала осуществ-
ляется микропроцессорной системой датчика уровня уровнемера и
заключается в точном определении разностной частоты ∆f сигнала и
пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара.
В радарных уровнемерах импульсного типа используется метод
определения расстояния, основанный на непосредственном измере-
нии времени прохождения СВЧ-импульса от излучателя до контро-
лируемой поверхности и обратно. Радарные уровнемеры импульсно-
го типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, исполь-
зующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы
вне зависимости от природы их источника разнесены во времени,
что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее
энергопотребление импульсных уровнемеров составляет единицы
мкВт (пиковая мощность при излучении СВЧ-импульса составляет
около 1 мВт), что позволяет использовать для их подключения двух-
проводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным
токовым сигналом 4... 20 мА; в приборах, работающих по технологии
FMCW, энергопотребление существенно выше из-за непрерывного
характера излучения, а также постоянно выполняемой математиче-
ской обработки эхо-сигнала. И в-третьих, в импульсных уровнемерах
электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще,
а сама обработка выполняется исключительно аппаратными сред-
ствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих на-
дежность прибора получается потенциально выше.
Радарные уровнемеры — наиболее универсальные средства изме-
рения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой
средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднород-
ных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных
уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность
к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а
также большая устойчивость к таким явлениям, как запыленность,
испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радар-
ные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до 1 мм), что по-
зволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем
существенным сдерживающим фактором применения радарных уров-
немеров остается высокая стоимость данных приборов.
Диапазон измерения радарных уровнемеров достигает 40 м при
спокойной поверхности контролируемой жидкости. Абсолютная по-
грешность измерения уровня может составлять ± 1 мм в диапазоне
до 30 м.
4.2.8. Радарные волноводные уровнемеры
Данный тип уровнемеров относится к уровнемерам контактного
типа. Принцип действия волноводного уровнемера основан на тех-
нологии рефлектометрии с временным разрешением TD7? (Time
Domain Reflectome-try). Микроволновые радиоимпульсы малой мощ-
ности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую
среду, уровень которой нужно определить (рис. 4.5). Когда радио-
импульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической про-
ницаемости, отличной от проницаемости газа над поверхностью
среды, то из-за разности коэффициентов диэлектрических прони-
цаемостей происходит отражение микроволнового сигнала в обратном
направлении. Временной интервал между моментом передачи зон-
дирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала Пропорциона-
лен расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным
образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела
двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической
проницаемости. Интенсивность отраженного сигнала зависит от раз-
ницы коэффициентов диэлектрических проницаемостей сред на
границе. Чем выше эта разность, тем выше интенсивность отражен-
ного сигнала. Волноводная технология имеет ряд преимуществ по
сравнению с другими методами измерения уровня, поскольку радио-
импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере
резервуара, температуре и давлению.
Поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, а не свободно
распространяются в пространстве резервуара, то волноводная техно-
логия может с успехом применяться для малых и узких резервуаров,
а также для резервуаров с узкими горловинами. Радарные волновод-
ные уровнемеры используются в сложных условиях (пар, пена, на-
липания, волны, кипение, резкие скачки уровня и т.д.). Точность
измерений не зависит от плотности, диэлектрической проницаемости
рабочей среды и давления.
Диапазон измерения радарных волноводных уровнемеров — до 30 м.
Абсолютная погрешность измерения ± (3... 5) мм.
4.3. Сигнализаторы уровня
Сигнализация достижения определенных значений уровня в про-
мышленных емкостях без постоянного непрерывного контроля яв-
ляется стандартной, широко распространенной задачей. Примерами
могут служить защита от переполнения, проверка минимального и
максимального уровня заполнения резервуаров. В настоящее время
широкое распространение получили следующие типы сигнализаторов
уровня: кондуктометрические, емкостные, поплавковые, вибрацион-
ные и ультразвуковые.
Кондуктометрические сигнализаторы уровня являются наиболее
простыми и дешевыми. Чувствительный элемент представляет собой
два изолированных друг от друга электрода. Иногда в качестве одно-
го из электродов используется металлическая стенка резервуара.
Электроды включены в электрическую цепь с источником питания
и выходным реле. Принцип работы заключается в электрическом
замыкании рабочей жидкостью (по достижении нужного уровня)
электродов чувствительного элемента. При замыкании электродов
в электрической цепи начинает протекать ток, который приводит к
срабатыванию реле. Для того чтобы исключить такие эффекты, как
электролиз жидкости или взрыв, применяется постоянный или пере-
менный ток достаточно малой мощности.
Кондуктометрические сигнализаторы применимы для электро-
проводных жидкостей (проводимость более 0,2 См/м), таких как
технологическая вода, слабые растворы кислот и щелочей в цистер-
нах, баках, паровых котлах. Эти сигнализаторы используются при
температуре до 350 °С и давлении до 6,3 МПа (как правило, для стан-
дартных исполнений 200 °С и 2,5 МПа).
Примерами кондуктометрических сигнализаторов являются: РОС-
301, ЭРСУ, САУ-М6, СУ-300И.
Основные достоинства: простота и прочность; отсутствие движу-
щихся механических частей; простая регулировка и обслуживание.
К недостаткам следует отнести непригодность для клейких веществ
и диэлектриков; кроме того, масляные вещества могут вызывать на-
липание на электроды тонкого слоя непроводящего покрытия, что
может быть причиной отказа.
Емкостные сигнализаторы широко распространены и исполь-
зуются для определения наличия рабочей среды, как жидкой, так и
сыпучей, как электропроводной, так и неэлектропроводной. Чувстви-
тельный элемент представляет собой два изолированных друг от
друга электрода, образующих электрический конденсатор. Часто в
качестве одного из электродов используется металлическая стенка
резервуара. Емкостные сигнализаторы отличаются большим разно-
образием конструктивных исполнений для конкретных применений,
могут быть стержневого, трубчатого типов, гибкие, тросовые и т.п.
Для датчиков, работающих в проводящей среде, необходимо исполь-
зовать конструкцию с изолированным электродом.
Принцип действия сигнализаторов основывается на изменении
электрической емкости конденсатора при контакте с рабочей средой
из-за различия диэлектрической проницаемости. При контакте
электрода с рабочей средой электрическая емкость конденсатора, как
правило, увеличивается, поскольку диэлектрическая проницаемость
любой среды больше диэлектрической проницаемости воздуха. Кон-
денсатор включается в частотозадающую цепь генератора электриче-
ских колебаний. Увеличение емкости конденсатора приводит к
уменьшению частоты колебаний генератора и формированию сигна-
ла, преобразуемого в дальнейшем к срабатыванию выходного реле.
Распространенными моделями емкостных сигнализаторов явля-
ются РОС-101 и РОС-102.
Поплавковые сигнализаторы отличаются простотой и универ-
сальностью, в простейшем варианте состоят из поплавка, соединен-
ного с механизмом переключения контактов с помощью механической
или магнитной связи. При магнитной связи поплавок снабжается
магнитом, который скользит по направляющему стержню. В стержне
находятся микропереключатели (герконы), которые при прохождении
через них поплавка с магнитом меняют свое состояние.
Распространенные сигнализаторы этого типа: РОС-400, РОС-401,
ДРУ-1ПМ.
К достоинствам поплавковых сигнализаторов можно отнести про-
стоту, прочность, невысокую стоимость, устойчивость к неблагопри-
ятным внешним воздействиям. Недостатками являются непригод-
ность для клейких жидкостей, зависимость точки срабатывания от
изменений (колебаний) плотности рабочей среды.
Вибрационные сигнализаторы уровня (рис. 4.6) широко распро-
странены за рубежом и в меньшей степени в России. Чувствительным
элементом служит резонатор камертонного типа (из-за формы его
часто называют колебательной вилкой). Принцип действия основан
на зависимости амплитуды колебаний резонатора от окружающей
среды. Погружение чувствительного элемента в контролируемую
среду вызывает резкое уменьшение амплитуды колебаний вплоть до
их полного гашения. Смена состояния колебания состоянием покоя
или наоборот сигнализирует о достижении предельного уровня.
Диапазон применимости сигнализаторов по температуре -50... + 250 "С,
по давлению — до 6,4 МПа, плотность рабочей среды в преде-
лах 0,5...2,5 г/см3. Датчики обеспечивают точность срабатывания
± 1 мм.
Распространенными марками вибросигнализаторов являются
серии Optiswitch фирмы Krohne, Liquiphant фирмы Endress + Hauser,
Vibranivo фирмы UWT.
Основные достоинства вибрационных сигнализаторов: простота;
не требуется регулировка в месте установки; отсутствуют движущие-
ся части; нечувствительны к турбулентности, образованию пены и
внешней вибрации; допускают любую пространственную ориента-
цию; нечувствительны к большинству физических свойств измеряе-
мого вещества (исключение — плотность).
Недостатком является возможность отказов при наличии в жид-
костях клейких веществ и твердых частиц, которые могут заклинивать
колебательную вилку.
Ультразвуковые сигнализаторы отличаются надежностью и ста-
бильностью рабочих характеристик. Чувствительный элемент пред-
ставляет собой пару излучатель—приемник. Он может размещаться
в емкости как горизонтально, так и вертикально. Принцип действия
основан на зависимости скорости распространения, а следовательно,
и времени распространения ультразвуковых волн между излучателем
и приемником, в качестве которых используются пьезоэлектрические
преобразователи, от рабочей среды. Электронный блок сигнализато-
ра оценивает время распространения ультразвуковых волн и при
наличии отклонения замыкает или размыкает выходное реле. По-
грешность срабатывания сигнализаторов типа УЗС составляет ± 2 мм
(при вертикальной установке). Эти сигнализаторы могут использо-
ваться при температуре до 250 °С и давлении до 1,6 МПа.
Популярные ультразвуковые сигнализаторы — это УЗС- 10Х, УЗС-
20Х, УЗС-ЗХХ, УЗС-4ХХ, УЗР-1.
Контрольные вопросы
1. Какие физические явления используются в магнитострикционном уров-
немере?
2. Какие уровнемеры относятся к контактным, а какие — к бесконтакт-
ным?
3. Какие свойства измеряемой жидкости оказывают влияние на результат
измерения поплавкового уровнемера?
4. Почему показания гидростатических уровнемеров зависят от температу-
ры?
5. Какие свойства контролируемой среды используются в электрических
уровнемерах?
6. Влияют ли на результат измерения уровня ультразвуковым методом хи-
мические и физические свойства среды?
7. Поясните принцип действия радарного уровнемера.
8. В чем состоит отличие технологии FMCW от импульсной в радарных
уровнемерах?
9. Поясните принцип действия волноводного уровнемера.
10. Объясните принципы действия вибрационных сигнализаторов уровня.
Гл а в а 5
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
5.1. Общие сведения об измерении давления.
Классификация СИ давления
Давлением называется отношение силы, действующей перпенди-
кулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна
из основных величин, определяющих термодинамическое состояние
веществ и ход технологических процессов. Различают следующие
виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (раз-
режение). Атмосферное (барометрическое) давление — это давле-
ние, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.
Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, за который
принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан
воздух. Избыточное давление представляет собой разность между
абсолютным и барометрическим давлениями, а вакуум {разреже-
ние) — разность между барометрическим и абсолютным давлением.
В Международной системе единиц (SI) за единицу давления принят
паскаль (Па) — давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равно-
мерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 и направленной
нормально к ней. В технической системе единиц (МКГСС) давление
выражается в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2)
и килограммах силы на квадратный метр (кгс/м2). Единица кгс/см2
получила название техническая, или метрическая атмосфера (ат).
Помимо указанных существуют также такие внесистемные единицы
измерения давления, как бар, миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.),
миллиметр водного столба (мм вод. ст.), а также физическая, или
нормальная, атмосфера (атм), которая эквивалентна 760 мм рт. ст.
В англоязычных странах широко распространена единица давления пси
(psi = Ibf/in 2) — фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт = 0,4536 кг). При
измерении абсолютного и избыточного давления используются соот-
ветственно обозначения psia (absolute — абсолютный) и psig (gage — из-
быточный). В приложении 2 указаны коэффициенты перевода одних
системных или внесистемных единиц давления в другие.
В качестве СИ давления используются как измерительные при-
боры, так и измерительные преобразователи. Приборы для измерения
давления в зависимости от измеряемого давления делятся: на мано-
метры (для измерения избыточного давления); барометры (для
измерения атмосферного давления); вакуумметры (для измерения
разрежения); мановакуумметры (для измерения избыточного дав-
ления и разрежения); напоромеры и тягомеры (для измерения малых
давлений); дифференциальные манометры, или дифманометры (для
измерения разности давлений). По принципу действия приборы для
измерения давления подразделяются на жидкостные, деформацион-
ные, электрические и грузопоршневые. Измерительные преобразо-
ватели давления в зависимости от используемого в них физического
эффекта могут быть тензорезисторными, пьезоэлектрическими, ем-
костными, резонансными, волоконно-оптическими, гальваномаг-
нитными, акустическими и др. Наибольшее распространение полу-
чили тензорезисторные и емкостные преобразователи.
5.2. Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешива-
ется гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота
которого будет являться мерой измеряемого давления. В качестве
рабочей (манометрической) жидкости применяются дистиллирован-
ная вода, этиловый спирт, трансформаторное масло. Эти манометры
предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа,
разрежения и разности давлений и являются наиболее простыми СИ
давления, которые были изобретены еще в XVI в. Леонардо да Винчи.
В настоящее время удельный вес жидкостных манометров по срав-
нению с манометрами других типов относительно невелик и, веро-
ятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измере-
ниях особо высокой точности в области давлений, близких к ат-
мосферному, они пока незаменимы. Жидкостные манометры
используются в основном в качестве образцовых приборов для лабо-
раторных и технических измерений.
В зависимости от конструкции сосуда с рабочей жидкостью жид-
костные манометры могут быть U-образные (двухтрубные) и чашечные
(однотрубные) с вертикальной или наклонной трубкой. U -образный
манометр представляет собой изогнутую в виде латинской буквы U
стеклянную трубку, заполненную до половины рабочей жидкостью.
Трубка закрепляется вертикально на твердом основании. Отсчет про-
изводится по шкале, имеющей нулевую отметку при равенстве давле-
ний в обоих коленах трубки. Измеряемая величина уравновешивается
столбом рабочей жидкости, высота которого равна сумме высот стол-
бов в обоих коленах трубки. При измерении давления или разрежения
один конец трубки оставляют открытым в атмосферу, а другой соеди-
няют с объектом измерения; при измерении разности давлений их
подводят к обоим концам трубки. Из-за того что сечения трубок не
всегда одинаковы, на практике приходится снимать показания двух
высот. Этот недостаток устранен в чашечных манометрах.
В чашечных (однотрубных) манометрах одна из трубок замене-
на широким сосудом, сообщающимся с измерительной стеклянной
трубкой (вертикальной или наклонной). Площадь сечения сосуда
значительно больше, чем площадь сечения измерительной трубки.
При измерении давления или разности давлений большее из них по-
дается в сосуд, а меньшее — в измерительную трубку. При точных
измерениях применяются чашечные манометры с наклонной трубкой,
имеющие большую чувствительность (микроманометры). Показания
манометра при измерениях определяются по длине столбика рабочей
жидкости в трубке, имеющей угол наклона а.
5.3. Деформационные манометры
Принцип действия деформационных манометров основан на
упругой деформации чувствительных элементов под действием из-
меряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструк-
ции, надежности и низкой стоимости деформационные манометры
получили широкое распространение в промышленности для измере-
ния давления, разрежения и разности давлений. Они выпускаются
показывающими, регистрирующими и могут оснащаться преобразо-
вателями в унифицированный сигнал измерительной информации
для дистанционной передачи показаний.
В качестве чувствительных элементов в деформационных мано-
метрах применяют трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.
Трубчатая пружина (манометрическая пружина, или трубка Бурдо-
на) представляет собой упругую криволинейную металлическую по-
лую трубку, один конец которой имеет возможность перемещаться,
а другой жестко закреплен (рис. 5.1, а). Трубка в свободном состоянии
в сечении имеет форму эллипса (разрезЛ—А на рис. 5.1, б). При по-
вышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это
связано с тем, что под действием давления трубка «округляется», т.е.
малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины
остается неизменной.
Под действием измеряемого давления Ртм трубка Бурдона дефор-
мируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на
рис. 5.1, б пунктиром. Продольные волокна элемента пружины рас-
тягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных
волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать рас-
тяжение, а в волокнах внутреннего радиуса — сжатие. Вследствие того
что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, труб-
ка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки
совершит некоторое линейное перемещение λ. Кривизна трубки
уменьшится на угол ∆у = у – у1 , а малая ось эллипса увеличится на АЬ.
С учетом неизменности длины пружины можно записать
Это выражение представляет собой уравнение шкалы манометра с
трубчатой пружиной. Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем
больше радиус кривизны R трубки и чем меньше толщина 5 ее стенок.
Чувствительность пружины Бурдона, а также ее жесткость в сильной
степени зависят от отношения а/b осей поперечного сечения и формы
сечения (массы металла) вблизи концов большой оси. Пружина круг-
лого сечения практически нечувствительна к давлению, так как ее