В процессе производства измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов необходимо для учета их наличия и расхода, определения отклонения фактического уровня от заданного значения, а также для отмеривания нужного количества используемого материала.
Приборы для измерения уровня различают:
- по роду исследуемого материала: для измерения уровня жидкостей, сыпучих материалов и кусковых твердых тел;
- по назначению: для контроля и сигнализации предельных значений уровня; для непрерывного измерения значений уровня; для определения границы раздела двух несмешивающихся сред, обладающих различной плотностью и акустическим сопротивлением (например, вода и керосин);
- по принципу действия: визуальные, механические, манометрические, электрические и акустические.
Примером механических уровнемеров может служить поплавковый прибор с пружинным уравновешиванием УДУ, предназначенный для измерения уровня в больших резервуарах.
Принцип его работы основан на действии поплавка, плавающего на поверхности жидкости и перемещающегося вместе с ее уровнем (рис. 1).
Поплавок 1, подвешенный на перфорированной мерной ленте 3, при изменении уровня жидкости скользит вдоль направляющих струн 2. Лента, проходя через систему угловых роликов и гидрозатвор, вступает в зацепление со штырями мерного шкива 14 показывающего прибора. Перемещение шкива передается на отсчетный механизм 13, показания которого соответствуют уровню жидкости в резервуаре.
Пружина двигателя постоянного момента 11, который обеспечивает натяжение мерной ленты, одним концом прикреплена к ведущему барабану 12, сидящему на одной оси со шкивом-накопителем 9; другой конец пружины свободно охватывает барабан 10, создавая постоянный момент в направлении, показанном стрелкой. Когда поплавок находится в верхнем положении, мерная лента смотана на шкив-накопитель, а лента пружинного двигателя — на барабан 10.
Рис. 1. Кинематическая схема поплавкового уровнемера типа УДУ:
1 — поплавок,
2 — направляющие струны,
3 — перфорированная мерная лента,
4 — натяжное устройство;
5, 6, 7, 8 — шкивы,
9 — шкив-накопитель; 10, 12—барабаны,
11 — пружина двигателя постоянного момента,
13 — отсчетный механизм,
14 — мерный шкив
При понижении уровня жидкости поплавок преодолевает момент трения в подвижной системе прибора, а также момент, создаваемый пружинным двигателем, и перемещается вниз. Мерная лента, вращая шкив-накопитель, одновременно перематывает пружину двигателя постоянного момента с барабана 10 на барабан 12, накапливая тем самым энергию. При повышении уровня вес поплавка компенсируется выталкивающей силой жидкости, натяжение мерной ленты уменьшается, пружинный двигатель преодолевает момент трения в подвижной системе прибора и сматывает мерную ленту на шкив-накопитель.
Натяжные устройства 4 осуществляют натяжение направляющих струн.
На рис. 2 показана принципиальная схема дистанционной приставки, служащей для подачи на вторичный показывающий прибор электрических сигналов, которые дублируют значения уровня, показываемого счетным механизмом уровнемера типа УДУ. С помощью приставки подаются сигналы о крайних положениях уровня жидкости.
Рис. 2. Принципиальная схема дистанционной приставки к уровнемеру типа УДУ:
1 — кольцо сантиметров, 2 — щетка метров, 3 — реохорд, 4 — кольцо метров,
5 — щетка сантиметров, 6 — сигнальное кольцо, 7 — резистор R-2750 Ом,
8 — шунт реохорда
Цепи контроля и сигнализации не связаны между собой. Схема сигнализации работает непрерывно, а схема контроля включается при измерении уровня в резервуаре. Перемещение поплавка передается на щетки реохорда, и по сопротивлению, вводимому щетками приставки, судят о высоте уровня жидкости в резервуаре. Измерение сопротивления, вводимого на реохорде, производят автоматическим электронным мостом по схеме, показанной на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема работы дистанционной приставки указателя уровня с мостом
При несоответствии между положениями щетки дистанционной приставки и ползунка реохорда моста между ними появляется напряжение небаланса, которое усиливается до определенного значения и подается на электродвигатель. Вал двигателя через редуктор связан с ползунком реохорда и со шкалой моста.
Рис. 4. Дистанционная приставка к уровнемеру типа УДУ:
1 — ось, 2 — пружина, 3 — нажимная гайка, 4 — грундбукса,
5 — асбестографитовая набивка,
6 — токосъемные кольца,
7 — клеммная колодка, 8 — шкала,
9 — стрелка, 10 — втулка, 11 — пробка со щупом; 12, 19 — подшипники скольжения, 13 — сливная пробка,
14 — двухступенчатый редуктор,
15 — электроконтактный механизм,
16 — щетка метров, 17 — основание,
18 — реохорд, 20 — крышка,
21 — муфта, 22 — болт заземления,
23 — контактный упор.
24 — щетка сантиметров
Под воздействием этого напряжения двигатель моста перемещает ползунок реохорда и напряжение небаланса уменьшается. Когда оно уменьшится до нуля, вращение электродвигателя прекратится, ползунок реохорда остановится в положении, строго соответствующем положению щетки датчика. Конструкция прибора изображена на рис. 4.
Реохорд 18 представляет собой кольцо с равномерно намотанной манганиновой проволокой. Он крепится в пластмассовом основании 17, в котором армированы два токосъемных кольца 6 и закреплены шунтирующее реохорд сопротивление, а также два сопротивления по 2750 Ом, входящие в плечи измерительного моста.
Ось 1, вращающаяся в подшипниках скольжения 19 и 12, имеет сальниковое уплотнение, состоящее из асбестографитовой набивки 5, грундбуксы 4, пружины 2 и нажимной гайки 3.
Щетка метров 16 жестко закреплена на втулке 10, свободно вращающейся на оси. Вращение оси приставки передается втулке 10 через двухступенчатый редуктор 14. Один конец щетки метров скользит по токосъемному кольцу, а второй — по торцовой поверхности реохорда.
Полному повороту щетки метров соответствует четырнадцать оборотов щетки сантиметров 24, которая жестко укреплена на оси 1. Один конец щетки сантиметров скользит по токосъемному кольцу, а второй, несущий константановый контакт,— по внутренней поверхности реохорда.
Устройство для сигнализации крайних положений уровня состоит из шкалы 8, стрелки 9 и электроконтактного механизма 15. Стрелка плоской пружиной прижимается к торцу шестерни редуктора и при ее вращении перемещается вместе с ней. Такое скрепление позволяет произвести поворот стрелки относительно заторможенной шестерни. При повороте стрелки до одного из двух крайних контактных упоров 23 замыкается цепь сигнализации крайних положений уровня жидкости в резервуаре. Упоры за счет перемещения вдоль пазов кольца электроконтактного устройства настраиваются на определенную величину крайних положений измеряемого уровня резервуара. Один упор соответствует верхнему измеряемому уровню жидкости в резервуаре, а второй — нижнему.
В верхней части крышки дистанционной приставки имеется пробка со щупом 11 для заливки масла и контроля уровня, а в нижней — пробка 13 для слива масла.
Провода в дистанционную приставку подводятся через муфту 21, закрепляются в ней и подсоединяются к клеммной колодке 7, после чего крышка 20 закрывается. Для обеспечения взрывобезопасности на наружной поверхности приставки и внутри вводной клеммной коробки имеются зажимы под болты заземления 22.
Манометрические уровнемеры работают по принципу определения разности гидростатических давлений в измеряемой и сравнительной емкостях. Схема уровнемера показана на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема манометрического уровнемера: 1 — преобразователь, 2 — импульсная трубка, 3 — линия питания, 4 — дроссель, 5 — манометр
Преобразователь 1, уменьшающий пульсацию давления воздуха при выходе пузырьков, представляет собой полый замкнутый цилиндр с горизонтальными щелями. Дроссель 4 предназначен для ограничения подачи воздуха, который прокачивают через линию питания 3 в заданных пределах. Манометр 5 обеспечивает силовую компенсацию массы столба
жидкости в резервуаре. Если в импульсную трубку 2 подать сжатый воздух, то в ней установится давление, равное гидростатическому давлению столба жидкости на уровне расположения щели в преобразователе.
Давление воздуха, прокачиваемого по трубке, всегда будет равно гидростатическому:
P=H*p*g, где Н — высота столба жидкости над обрезом трубки; p — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Электрические уровнемеры представляют большую группу приборов, использующих изменение электрических параметров — емкости, индуктивности и др.— в зависимости от изменения уровня контролируемой среды.
Наибольшее распространение получил емкостный уровнемер ЭИУ-2. В этом приборе измерение электрической емкости производится с помощью индуктивно-емкостного моста. При изменении уровня контролируемой среды вдоль оси прибора изменяется электрическая емкость, нарушается равновесие моста и на его выходе появляется напряжение, пропорциональное изменяющемуся уровню.
На производстве широко применяются сигнализаторы и регуляторы уровня. Электрическая функциональная схема регулятора-сигнализатора уровня ЭРСУ-3 показана на рис. 6.
Рис. 6. Электрическая функциональная схема регулятора-сигнализатора уровня ЭРСУ-3
Схема включает в себя три транзисторных каскада (Д1...ДЗ), нагрузкой каждого из которых является выходное реле К1...К3, а также выпрямитель У1 и силовой понижающий трансформатор Т1. Принцип работы прибора основан на преобразовании изменения электрического сопротивления между электродом преобразователя и стенкой сосуда в электрический релейный сигнал. Погружение электрода преобразователя в контролируемую электропроводную среду вызывает уменьшение сопротивления, а осушение—его увеличение. Два преобразователя (датчика) служат для поддержания уровня контролируемой среды в рабочем диапазоне, а третий — для контроля за аварийным положением уровня.
Принцип работы дистанционного электрического индикатора уровня показан на рис. 7.
Рис. 7. Схема дистанционного электрического индикатора уровня:
I — датчик, II — вторичный прибор; 1. 6 — первичные обмотки катушек, 2, 5 — сердечники, 3, 4 — вторичные обмотки катушек, 7 — реверсивный двигатель. 8 — кулачок, 9 — усилитель, 10— направления перемещения измерительной системы
В измерительную схему входят две индукционные катушки, одна из которых (обмотка 1 и 3) помещена в датчик, а другая (обмотки 4 и 6) — во вторичный прибор, который состоит из усилителя 9 и реверсивного двигателя 7, приводящего в движение сердечник 5 катушки посредством кулачка 8.
При подаче напряжения переменного тока на первичные обмотки 1 и 6 во вторичных обмотках 3 и 4 каждой катушки индуктируется ЭДС. Когда сердечник 2 катушек датчика находится в среднем (нейтральном) положении, ЭДС Е1 и Е2 равны и направлены навстречу друг другу, т. е. ΔU = Е1 — Е2 = 0. Если сердечник 5 катушки вторичного прибора тоже находится в среднем положении, то разность ЭДС секций этой катушки также равна нулю.
В этом случае во вторичной цепи тока нет и напряжение на входе усилителя ΔU = 0. При смещении сердечника 2 катушки датчика от среднего положения вследствие изменения контролируемой величины меняется распределение магнитных потоков в секциях вторичной обмотки 3, индуктируемые в них ЭДС уже не равны друг другу. Во вторичной цепи измерительной схемы возникает ток небаланса, создающий на входе усилителя падение напряжения ΔU. Значение этого напряжения практически является функцией линейного перемещения сердечника 2 датчика, а его фаза — функцией направления перемещения сердечника от среднего положения. Напряжение небаланса через усилитель 9 поступает на управляющую обмотку двигателя 7, который, придя во вращение, перемещает с помощью кулачка 8 сердечник 5 катушки вторичного прибора до момента согласования положений сердечников 2 и 5, т. е. до получения равенства напряжений, индуктируемых во вторичных обмотках обеих катушек. С осью двигателя 7 механически связаны показывающее, записывающее и регулирующее устройства.
Экономному и рациональному расходованию сырья и материалов способствует применение сигнализаторов предельных значений с выдачей звуковых и световых сигналов. Электрическая схема такого устройства показана на рис. 8.
Рис. 8. Электрическая схема сигнализатора уровня
Сигнализатор состоит из преобразователя (датчика), электронно-релейного блока и сигнального прибора (электрического звонка громкого боя). Сигнальные лампы включаются при помощи электронного реле в зависимости от положения уровня жидкости по отношению к контактам датчика.
Примером современного такого датчика уровня является РОС 301.
При понижении уровня жидкости сверх установленного положения нижнего контакта датчика к обеим базам триодов будет приложено положительное напряжение через резисторы R1 и R2, транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, контакты реле К1 и К2, включенных в эмиттерные цепи транзисторов, разомкнутся. Нормально замкнутые контакты в этом случае включают лампу Е3 и звонок, сигнализирующие о том, что уровень жидкости ниже нормы.
Если уровень находится между верхним и нижним контактами датчика, нижний контакт через жидкость соединяется с корпусом (землей), минусовое напряжение подается на базу транзистора VT2, он открывается и обеспечивает срабатывание реле К2: замыкаются нормально открытые контакты, а нормально закрытые размыкаются, отключая лампу Е3 и звонок, включается лампа Е2, сигнализирующая о том, что уровень жидкости в пределах нормы.
При повышении уровня и достижении им предела, установленного верхним контактом датчика, транзистор VT1 открывается; срабатывает реле К1, загорается лампочка Е1 и замыкается цепь звонка. Минус постоянного выпрямленного напряжения соединен с корпусом блока.
