Лабораторная работа № 6 (стенд № 14) ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

 

Цель работы

 

1. Ознакомиться с методами измерения уровня жидкостей.

2. Изучить пьезометрический метод измерения уровня.

3. Изучить устройства, реализующие данный метод и методику измерения уровня и плотности неизвестной жидкости.

 

Общие положения

 

Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов.

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчёта. Технические средства, применяемые для измерения уровня, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня.

Уровнемеры также имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения по уровню количества жидкости, находящейся в резервуарах, баках и других устройствах. Соответствие уровнемеров тем или иным требованиям позволяет произвести разделение их на определённые группы. Так, например, ГОСТ 15983 предусматривает разделение уровнемеров по следующим признакам:

- по виду используемой вспомогательной энергии;

- по наличию устройства для отсчёта и передачи показаний;

- по виду сигнала-носителя информации;

- по защищённости от воздействия окружающей среды;

- по устойчивости к механическим воздействиям;

- по температурному диапазону.

Приведённое выше разделение уровнемеров является скорее разделением по признакам конструктивного исполнения и не может помочь в выборе того или иного уровнемера, так как характеризует вторичные свойства уровнемера.

Основной же следует считать классификацию уровнемеров по применённому методу измерения уровня. Методы измерения уровня группируются по тем физическим свойствам, различие которых у веществ, образующих поверхность раздела, положено в основу метода.

По принципу действия приборы для измерения уровня жидкости можно разделить на механические, пьезометрические, электрические, акустические и радиоизотопные. Приборы в указанных группах, в свою очередь, подразделяются по устройству:

1. Механические, которые в свою очередь подразделяются на:

- поплавковые, с чувствительным элементом, находящимся на поверхности измеряемой жидкости и передающим значение уровня указателя с помощью мерной ленты или троса;

- буйковые (поплавки с отрицательной плавучестью), имеющие в качестве чувствительного элемента буёк, связанный с компенсационным устройством, реагирующим на изменение веса буйка при изменении уровня погружения его в жидкость.

2. Пьезометрические (гидростатические):

- барботажные, представляющие собой пневмометрическую трубку, имеющую выход для воздуха на фиксированном положении от дна резервуара; уровень определяется по давлению воздуха, прокачиваемого по трубке;

- манометрические, определяющие уровень по давлению пьезометрического столба жидкости, воспринимаемого манометром, дифманометром.

3. Электрические:

- электроконтактные, основанные на измерении электропроводимости измеряемых сред;

- емкостные, использующие различие диэлектрических свойств воздуха (Е = 1) и измеряемой жидкости (воды Е = 81);

- индуктивные, импеданс датчика уровня имеет индуктивный характер и меняется с изменением уровня из-за различия электропроводностей жидкости и парогазовой смеси;

- радиоволновые, основанные на использовании зависимости какой-либо характеристики электромагнитного колебательного процесса от величины контролируемого уровня (радиолокационный, радиоинтерференционный, эндовибраторный и резонансный методы).

4. Акустические методы измерения уровня, которые, в свою очередь, подразделяются на локационные, диссипативные и резонансные. Чаще применяется локационный, определяющий уровень по времени распространения ультразвуковых волн в измеряемой среде.

5. Радиоактивные, использующие поглощение измеряемой жидкостью γ -лучей, излучаемых радиоактивным излучателем (кобальт-60 или цезий-137).

Пьезометрический уровнемер

Пьезометрический метод измерения уровня основан на измерении высоты столба жидкости по давлению, которое создаёт этот столб. В этом случае уровень жидкости можно определить подключением манометра к нижней отметке ёмкости, продувкой воздуха или при помощи дифференциального манометра.

На рис. 1 изображены два способа измерения уровня жидкости в резервуаре: при помощи установки манометра и продувкой воздухом.

При измерении уровня продувкой воздухом опускают в резервуар на фиксированное расстояние трубку. Через трубку прокачивают воздух, который, выходя из свободного конца пузырьками, препятствует поступлению жидкости в трубку. Давление воздуха, прокачиваемого по трубке, всегда будет равно гидростатическому давлению столба жидкости:

, (18)

где – высота столба жидкости над обрезом трубки; – удельный вес жидкости.

 

Рис. 1. Схема измерения уровня жидкости при помощи манометра
и пьезометрическим способом (продувкой воздухом)

 

Уравнение, связывающее давление Р с текущим значением уровня в сосуде и различными параметрами уровнемера и жидкости, в общем случае будет иметь вид:

, (19)

где – поправка, учитывающая вертикальный градиент давления и зависящая от возвышения манометра l над нижним обрезом трубки; – поправка на преодоление сил трения по длине импульсной трубки; – поправка на потери давления из-за действия сил поверхностного натяжения жидкости.

Поправка вводится либо при значительном давлении газа (свыше 7 кгс/см²), либо при значительном возвышении манометра над уровнем жидкости.

Потери давления на трение по длине трубки определяются как:

, (20)

где – коэффициент гидравлического сопротивления трубки, функциональная зависимость которого определяется режимом движения газа в ней; – диаметр импульсной трубки; – длина импульсной трубки от нижнего обреза до манометра; – скорость движения газа в трубопроводе; – объёмный расход газа.

Существует тенденция выбирать диаметр трубки по возможности большим в пределах от 6 до 20 мм, сводя к минимуму потери на трение.

Расход воздуха, как правило, выбирается опытным путём и обычно колеблется от 0, 1 до 2 л/мин, что соответствует скорости газа 8–10 м/с. Практически расход газа должен быть таким, чтобы обеспечивалось постоянное его прохождение через жидкость с образованием цепочки пузырей без слияния их в сплошную струю.

Потери давления на поверхностное натяжение можно определить по формуле

, (21)

где – сила поверхностного натяжения жидкости.

Характерно, что все поправки, вводимые в результат измерения, не зависят от текущего значения уровня, поэтому для определения суммарной величины поправок достаточно провести тарировку датчика в одной точке.

Пьезометрический уровнемер пригоден для измерения уровня практически любой жидкости. Агрессивность среды не оказывает влияния на работу уровнемера при правильном выборе материала импульсной трубки. Единственным лимитирующим параметром жидкости является её вязкость. Влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков, отрыв которых от обрезов трубки сопровождается возникновением колебаний в измерительной линии, что отражается на точности измерения уровня. Пьезометрический уровнемер пригоден для измерения уровня жидкостей, вязкость которых не превышает 1800–2000 сСт (санти Стокс).

Пьезометрический метод измерения уровня можно легко использовать для измерения плотностей жидкости. Для этого заполняют один сосуд эталонной жидкостью, плотность которой известна (например, водой), а другой сосуд – испытуемой жидкостью с неизвестной плотностью . Уровни в обоих сосудах поддерживаются на одинаковой высоте. В каждый сосуд на равную глубину Н, м, вводят трубки, через которые продувают воздух.

В первом эталонном сосуде давление продуваемого воздуха, Н/м, устанавливается на значение:

, (22)

а во втором с испытуемой жидкостью на значение

, (23)

где = 9, 81 м/с²; – уровень, м; и – давление соответственно в испытуемом и эталонном сосудах, Н/м².

Отсюда плотность испытуемой жидкости:

. (24)

 

Описание установки

 

Схема лабораторной установки для определения уровня пьезометрическим способом приведена на рис. 2.

В сосуд 1, уровень жидкости в котором измеряется, опускается импульсная трубка 2. По соединительной трубке 5 подаётся воздух от побудителя расхода 7 (компрессор). Перемещение импульсной трубки осуществляется с помощью держателя 4 вдоль шкалы 3 по направляющим. Расход воздуха от побудителя регулируется с помощью ротаметра 6, давление воздуха после ротаметра измеряется с помощью U-образного манометра 8 и преобразователя Метран-100 со вторичным прибором Диск-250.

 

Рис. 2. Схема установки для определения уровня пьезометрическим способом:

1 – сосуд; 2 – импульсная трубка; 3 – шкала; 4 – держатель;
5 – резиновая трубка; 6 – ротаметр с регулированием расхода воздуха; 7 – компрессор; 8 – U-образный манометр; 9 – преобразователь Метран-100 с жидкокристаллическим индикаторным устройством; 10 – потенциометр типа Диск-250

 

Схема электрических соединений приборов для измерения уровня
и плотности жидкости пьезометрическим способом приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема электрических соединений приборов для измерения уровня
и плотности жидкости пьезометрическим способом

Порядок выполнения работы

 

Уровень изменяется вертикальным перемещением импульсной трубки. Давление измеряется двумя приборами: U-манометром
и преобразователем давления Метран-100. Метран-100 преобразует давление в электрический сигнал 0–5 мА.

Сигнал от преобразователя Метран-100 передаётся на вторичный прибор Диск-250, рис. 3. При этом одновременно осуществляется индикация давления на жидкокристаллическом дисплее преобразователя Метран-100.

При проведении работы устанавливают различные расходы воздуха с помощью ротаметра 6 и при каждом расходе воздуха проводят измерение уровня на всех оцифрованных отметках. Полученные данные заносят в табл. 2. Строят графики зависимости давления от уровня для различных расходов воздуха (минимального, среднего, максимального). На рисунке откладывают по оси абсцисс отсчёт по шкале 3, а по оси ординат показания вторичного прибора Диск-250. По полученным графикам и результатам наблюдений производят выбор оптимального расхода воздуха, который затем устанавливают с помощью ротаметра 6.

 

 

Затем определяют плотность неизвестной жидкости, для чего производят измерение давления и уровня при определённом значении уровня воды. Далее сосуд с водой заменяют сосудом с неизвестной жидкостью и при тех же значениях уровня производят измерения давления при неизвестной жидкости. Расчёт плотности жидкости осуществляют по формуле (24). Пользуясь табл. 1, определяют неизвестную жидкость.

Таблица 1

Плотности жидкостей

 

Жидкость	Плотность, г/см3	Жидкость	Плотность, г/см3
Анилин	1, 022	Пентан	0, 621
Ацетон	0, 792	Сероуглерод	1, 263
Бензол	0, 878	Толуол	0, 866
Вода	0, 997	Хлороформ	1, 489
Глицерин	1, 261	Четыреххлористый	1, 535
Керосин	0, 825

 

Таким образом, порядок выполнения работы выглядит следующим образом:

1. Ознакомиться по инструкции с методами измерения уровня и устройством пьезометрического уровнемера.

2. Подать напряжение на установку, переключатель «Работа» установить в положение «ВКЛ».

3. Перемещая держателем импульсную трубку через 10 мм, записать показания преобразователя Метран-100 в табл. 2. За начало отсчёта считать момент, когда срез импульсной трубки касается жидкости.

4. Проделать пункт 3 для разных расходов воздуха. Минимальный расход воздуха соответствует расходу, когда пузырьки редко следуют друг за другом, преобразователь Метран-100 реагирует на каждый пузырёк. Средний расход – вторичный прибор перестаёт реагировать на каждый пузырёк. Максимальный – воздух идёт сплошной струёй.

5. Установить оптимальный расход воздуха и произвести измерения при одних и тех же отсчётах по шкале для воды и неизвестной жидкости. Рассчитать плотность неизвестной жидкости. По таблице определить, какая это жидкость.

6. Построить графики зависимости показаний прибора от перемещения импульсной трубки для разных расходов воздуха.

7. Составить отчёт о проделанной работе.

8. Результаты эксперимента свети в табл. 2.

Таблица 2

Результаты эксперимента

 

Измерение расхода, %	Глубина погружения импульской трубки Н0, мм	Показания Метран-100, Па	Приращение показаний Метран-100 на каждое изменение при погружении	Среднее значение приращений показаний при каждом изменении расхода

 

 

Содержание отчета

 

Отчёт должен содержать:

1. Краткий перечень методов измерения уровня жидкости.

2. Схему установки для измерения уровня пьезометрическим способом.

3. Результаты работы: таблица, расчет плотности неизвестной жидкости, выводы.

 

6 Контрольные вопросы

 

1. Принцип действия и устройство пьезометрического уровнемера.

2. Какие поправки необходимо учитывать при определении уровня?

3. В каких случаях вводится поправка , учитывающая вертикальный градиент давления?

4. Почему диаметр трубки для продувки выбирают по возможности наибольшим?

5. Каким должен быть расход газа или воздуха, вдуваемого под слой жидкости?

6. Каков принцип измерения плотности жидкости на данной установке?

7. Почему нельзя устанавливать очень малый расход воздуха?

 

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: