Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

и глубина погружения поплавка в жидкости также остается по­ стоянной

_ G _

Л~ gpS ’

т. е. положение поплавка относительно стенок сосуда совпадает с положением уровня. Неизвестный уровень жидкости в этом слу­ чае легко измеряется с помощью любого преобразователя переме­ щения. Смещение поплавка можно сделать сколь угодно малым, если противодействие силе КАрх осуществлять не только за счет силы веса, но и какой-либо другой внешней силы, например реак­ ции упругого элемента. В этом случае условие равновесия поплавка принимает вид

FАрх = G -f Сх,

где С — жесткость упругого элемента. С увеличением С пропор­ ционально уменьшается х. Положение уровня жидкости в этом случае определяется с помощью силомера, измеряющего усилие в упругом элементе. Точность поплавковых уровнемеров опреде­ ляется постоянством плотности поплавка, жесткости упругого элемента и конструкцией применяемых передаточных механизмов от поплавка к вторичному преобразователю. Поплавковые системы обладают большой инерционностью и могут применяться лишь при медленных изменениях уровней.

Использование электрических методов измерения уровня жидкостей позволяет исключить из конструкции прибора подвиж­ ные детали, находящиеся внутри емкости. В основу таких конструкций положено влияние тех или иных физических свойств измеряемой жидкости на параметры электрических и магнитных цепей или на параметры потока излучения. Уровень электропроводной жидкости можно измерять путем измерения сопротивления между электро­ дами соответствующей формы, контактирующими с жидкостью, или индуктивными методами. В последнем случае обмотку, питаемую переменным током, располагают снаружи трубки, сообщающейся с сосудом. Уровень жидкости в трубке следует за изменением уровня в сосуде. Переменный уровень в трубке находится в магнитном поле катушки. Вихревые токи, наводимые в жидкости, изменяют индук­ тивность и активное сопротивление катушки, что и служит сигналом об уровне. Для электроизоляционных жидкостей широко исполь­ зуются емкостные первичные преобразователи, представляющие со­ бой систему электродов в виде стержня, двух коаксиальных цилинд­ ров или параллельных пластин опущенных в жидкость. Такие пре­ образователи могут применяться и для электропроводных жидкостей, если обеспечить электрическую изоляцию электродов (например, с помощью фторопласта).

Контактные, омические, индуктивные и емкостные преобразо­ ватели чаще всего используются в качестве реле, сигнализирую­ щих о достижении данного уровня. При необходимости измерения изменения уровня внутрь сосуда помещается устройство, несущее

233

Несколько подобных реле, фиксирующих ряд последовательных положений уровня. Измерение времени между сигналами двух реле позволяет, при известном расстоянии между ними, получать зна­ чения средней скорости изменения уровня на данном участке. Релей­ ные схемы нечувствительны к изменению электрических (или диэлек­ трических) свойств жидкости, так как уровень сигнала реле не иска­

няющей среды. В сосуде устанавливаются специальные вибраторы в виде штыревой или рамочной антенны и возбуждаются электро­ магнитные колебания, как в обычном объемном контуре. Если элек­

значно зависит от уровня заполняющей жидкости. Статическая ха­ рактеристика уровнемера существенно нелинейна; постоянство про­ чих параметров зависит от типа электромагнитных колебаний (рис. 68). При измерении уровня электропроводной жидкости повы­ шение его вызывает рост частоты колебаний. Авторы разработок [102] рекомендуют применять эндовибраторные уровнемеры для измерения уровня жидких и сыпучих сред с явно выраженными свой­

234

ствами неполярных диэлектриков, например таких, как нефтепро­ дукты, бензин, керосин, различные масла, сжиженные газы, неко­ торые вещества органического происхождения, или сред со свой­ ствами проводников, например расплавленные металлы, кислоты, щелочи и т . п. 1

Неполярные диэлектрики характеризуются небольшим углом потерь и имеют невысокую диэлектрическую проницаемость, ве­ личина которой обычно не превышает 2,5. Небольшое значение е упрощает построение и налаживание аппаратуры, так как сог­

Рис. 69. Схема эндовибраторного уровнемера:

1 — смеситель; 2 — гетеродины; 3 — усилитель промежуточной частоты; 4 — дискриминатор; 5 — усилитель низкой частоты

при полном опорожнении сосуда не будет превышать 60%. Такой частотный диапазон легко перекрывается обычными контурами ра­ диоприемной аппаратуры.

Отличительной особенностью эндовибраторных уровнемеров яв­ ляется то, что стоячая волна заполняет весь объем сосуда, как зали­ тую жидкость, так и свободную его часть, поэтому форма поверх­ ности уровня (волны, колебания) или наличие кипения практически не влияют на точность измерения. Схемы эндовибраторных уровне­ меров работают или в автоколебательном режиме, или в режиме вынужденных колебаний с экстремальной настройкой на резонанс.

На рис. 69 приведена упрощенная схема уровнемера с объем­ ным резонатором, работающим в режиме автоколебаний с суперге­ теродинным приемником, выполняющим роль индикатора. В этом приборе сосуд используется в качестве задающего контура генера­ тора синусоидальных колебаний — датчика. Автогенератор пост­

235

датчика зависит от размеров и формы сосуда и составляет от десят­ ков до сотен мегагерц. Поэтому все детали датчика ради исключения влияния проводов приходится монтировать непосредственно у вы­ водов антенны. Измерительный сигнал поступает на смеситель, где выделяется напряжение разностной частоты сигнала датчика и сиг­ нала гетеродина. Напряжение этой промежуточной частоты после усилителя поступает на частотный демодулятор, в котором выя­ вляется величина и знак отклонения этой частоты от ее номинального значения. Для упрощения дальнейшего усиления сигнал откло­ нения преобразуется в переменное напряжение с частотой 50 Гц, величина и фаза которого определяется величиной и знаком откло­ нения промежуточной частоты от номинального значения. Затем усиленное напряжение подается на обмотку реверсивного двигателя, вращающего ротор переменного конденсатора контура гетеродина и стрелку-указатель индикатора уровнемера.

Стабильность работы схемы в основном определяется качеством изготовления гетеродина и частотного демодулятора. Опытное ис­ следование такой схемы [102] выявило ее высокую чувствительность и хорошую повторяемость: погрешность не превышала приблизи­ тельно ±0,2% от максимального значения измеряемой величины. Такая схема обеспечивает автоматическое слежение за медленными изменениями уровня, но при запуске необходимо подстраивать ин­ дикатор с помощью специального устройства таким образом, чтобы сигнал датчика оказался в пределах частоты пропускания усили­ теля промежуточной частоты. Экстремальные эндовибраторные уровнемеры уступают гетеродинным в чувствительности и стабиль­ ности, но оказываются более простыми в настройке [33].

Измерение уровня сыпучих и кусковых материалов связано с еще большими трудностями, чем измерение уровня жидкостей. Сыпучие материалы при заполнении и опорожнении емкостей не образуют горизонтальной поверхности уровня: угол естественного откоса мо­ жет доходить до 30—50° к горизонтали. При опорожнении емкостей материал легко налипает на стенках и после некоторого накопления обрушивается; чувствительные элементы уровнемеров должны вы­ держивать удары материалом без разрушения и без нарушения ре­ жимов измерений. Указанные трудности ограничивают круг воз­ можных принципов измерения уровня почти исключительно меха­ ническими методами [41]. Примером подобных устройств могут служить схемы, изображенные на рис. 70; более подробные сведе­ ния имеются в [3].

В уровнемере с тормозящимся элементом происходит периоди­ ческое касание этого элемента о поверхность материала. Массивный контактный элемент, снабженный для лучшего торможения внешними лопастями (крыльчаткой), посажен на вращающийся винт (рис. 70, а). Если элемент находится вне материала, он соскальзывает вниз по резьбе до поверхности материала, шаг винта выбирается из условия отсутствия самоторможения. Как только крыльчатка оказывается заторможенной материалом, контактный элемент начинает подни­ маться вверх, навинчиваясь на винт. После окончания торможения,

236

т. е. после некоторого подъема, цикл касания повторяется. Контакт­ ный элемент связан с дистанционным устройством, передающим сигнал о положении элемента к стрелочному указателю. Реле с виб­ рирующей лентой (рис. 70, б) или с мембраной (рис. 70, s') отмечают

Рис. 70. Уровнемеры сыпучих материалов: а — схема касания; б — схема с колеблющейся лентой; в — мембранное реле

достижение заданного уровня засыпки материала в бункер. Упру­ гая стальная лента подвешена за один конец и приводится в коле­ бательное движение системой электромагнитов. При касании ниж­ ним концом ленты материала колебания затухают, изменяются элек­

ратор пилообразного напряжения, также подаваемого^на демодуля­ тор. С демодулятора снимается постоянное напряжение, пропор-

237