Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП
В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т. к. результирующий перепад давления на дифманометре равен:
Р = (Рг + Ратм) – Ратм = Рг. |
(4.15) |
Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС).
Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рисунке
4.13.
Рис. 4.13 — Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного
сосуда: а — с нижним расположением уравнительного сосуда; б — с верхним расположением уравнительного сосуда
Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке.
Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рисунке 4.14.
Рис. 4.14 — Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда
Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления Р можно представить в виде:
Р = ρgHmax – ρgh, |
(4.16) |
где: ρ — плотность жидкости, g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного
падения. При h = 0, Р = Рmax, а при h = Hmax , Р = 0.
То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной.
Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая — в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.
Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рисун-
ке 4.15.
Рис. 4.15 — Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а — для открытых резервуаров;
б— для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда;
в— для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом
Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсате и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью [54].
Емкостные уровнемеры. Емкостными уровнемерами называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от ее уровня.
Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие удельное сопротив-
ление ρ < 106 Ом∙м и диэлектрическую проницаемость εж ≥ 7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней. В качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей тех-
нологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.
Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рисунке 4.16, а.
Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой Н заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Н – h — ее парами.
В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:
где ε = 8,85*10–12 |
C = πεε0H / ln(d2/d1), |
(4.17) |
Ф/м (Фарад/м) — диэлектрическая проницаемость |
||
0 |
|
|
вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н — высота электродов; d1, d2 — диаметры внутреннего и наружного электродов.
Рис. 4.16 — Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред: 1, 2 — электроды;
3 — резервуар; 4 — изолятор
На основании (4.17) легко записать выражения для емкости С1 части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С2 части, находящейся в газовом пространстве:
С |
= |
2 0 ж |
; |
С |
2 |
= |
2 0 г( − ) |
; |
(4.18) |
||||
|
|
||||||||||||
1 |
|
ln( |
2 |
) |
|
|
|
ln( |
2 |
) |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
и εг — относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.
Суммарное выходное сопротивление преобразователя Zпp, кроме емкостей С1 и С2, определяется также емкостью Си проходного изолятора и его активным сопротивлением Rи (емкость Си образуется электродами преобразователя на участке а; сопротивление Rи обусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.
Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рисунке 4.16, б. Суммарная емкость преобразователя:
|
|
|
Спр = С1 + С2 + Си. |
(4.19) |
|||||
Емкость Си от значения h не зависит, кроме того, для газов εг≈ 1, |
|||||||||
поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= С |
и |
+ |
2 0 |
|
[1 + ( − 1) / ]. |
(4.20) |
||
|
2 |
|
|
||||||
пр |
|
|
ln( |
) |
ж |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, при εж = const емкость Спр однозначно будет зависеть от измеряемого уровня h. В реальных условиях εж может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т. п.).
Для уменьшения влияния изменения εж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор (рис. 4.17).
Рис. 4.17 — Схема преобразователя с компенсационным конденсатором:
1, 2 — электроды; 3 — дополнительный электрод