Акустические средства измерений уровня

 

В настоящее время предложены различные принципы построения акустических уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации.

В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала). Уровнемеры, в которых локация границы раздела двух сред осуществляется через газ, называют акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред через слой рабочей среды — ультразвуковыми.

Преимуществом акустических уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня неоднородных кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.

Как правило, акустические уровнемеры представляют собой сочетание первичного, промежуточного, а в некоторых случаях и передающего измерительных преобразователей. Поэтому, строго говоря, акустические уровнемеры следует рассматривать как часть измерительной системы с акустическими измерительными преобразователями.

На рис. 8.8 приведена схема акустического уровнемера жидких сред. Уровнемер состоит из первичного I и промежуточного II преобразователей. Первичный преобразователь представляет собой пьезоэлемент, выполняющий одновременно функции источника и приемника ультразвуковых колебаний. При измерении генератор 9 с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом 1 в ультразвуковые импульсы. Последние распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от границы раздела жидкость—газ и воспринимаются тем же пьезоэлементом, преобразующим их в электрические импульсы. После усиления устройством 1 импульсы подаются на схему измерения 2 времени отражения сигнала, где они преобразуются в прямоугольные импульсы определенной длительности. В ячейке сравнения 3 осуществляется сравнение импульса, подаваемого со схемы 2 с длительностью импульса, подаваемого с элемента обратной связи 5, который преобразует унифицированный токовый сигнал в прямоугольный импульс определенной длительности. Если длительность импульса схемы измерения 2 отличается от длительности импульса цепи обратной связи, то на выходе ячейки сравнения 3 появляется сигнал разбаланса, который усилительно-преобразующим устройством 4 изменяет выходной унифицированный токовый сигнал до тех пор, пока не будет достигнуто равенство длительностей импульсов. Для уменьшения влияния температуры на сигнал измерительной информации предусмотрен блок температурной компенсации 8. Контроль за работой электрической схемы осуществляется блоком контроля 7. Исключение влияния различного рода помех на работу промежуточного преобразователя достигается с помощью помехозащитного устройства 6.

Расстояние между первичным и промежуточным преобразователями—не более 25 м. Диапазоны измерений уровня 0—1; 0—2; 0—3 м. Класс точности 2, 5. Температура контролируемой среды 10-50°С, давление в технологическом аппарате до 4 МПа.

Акустические уровнемеры сыпучих сред по принципу действия и устройству аналогичны акустическим уровнемерам жидких сред. Акустические уровнемеры сыпучих сред входят в номенклатуру приборов ГСП и имеют унифицированный токовый сигнал, или могут быть одноточечными и многоточечными. Многоточечные уровнемеры состоят из нескольких (до 30) первичных измерительных преобразователей акустического типа, каждый из которых размещается на отдельном технологическом аппарате, и через коммутатор подключаются к промежуточному измерительному преобразователю. Уровнемеры выпускаются во взрывобезопасном исполнении. Классы точности 1.0; 1, 5. Минимальный диапазон измерений 0—2, 5м, максимальный 0—30 м. Контролируемая среда — гранулы диаметром 2—200 мм.

 

Тема 9. Измерение вязкости (2 часа)

Капиллярные, шариковые, ротационные вискозиметры.

Средства измерений вязкости жидкостей ([1], п. 10.3)

 

Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:

, (10.16)

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; dW/dn — градиент скорости W течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности называют динамической вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Величину, обратную динамической вязкости называют текучестью. Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие кинематической вязкости:

. (10.17)

Единица динамической вязкости с СИ — Па× с, в системе СГС—П (пуаз); единица кинематической вязкости в СИ — м²/с, в системе СГС—ст (стокс). Соотношение между названными единицами: 1П=10^-1 Па× с; 1ст=10^-4 м²/с.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов — увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико-технологических процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В настоящее время разработаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрационные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом и др. [23]. Далее рассмотрены вискозиметры, наиболее часто применяемые в химико-технологических процессах.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемой законом Пуазейля:

^, (10.18)

где Q — объемный расход жидкости; d и l—внутренний диаметр и длина капилляра; Р₁ Р₂ — давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (10.18) можно преобразовать к виду

, (10.19)

где - постоянный коэффициент для принятого расхода жидкости

Из (10.19) следует, что для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлении на капилляре.

На рис. 10.5, а показана схема капиллярного вискозиметра в котором для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос 1, приводимый в

движение синхронным двигателем 2. Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем - в капилляр 4, размеры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значении вязкости. Перепад давлений на капилляре измеряется дифманометром 5 с пневматическим или электрическим унифицированным выходным сигналом, который пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и равняется 50 или 100°С Диапазоны измерений от (0¸ 2) 10^-3 Па× с до (0¸ 1000) 10^-3 Па× с Классы точности вискозиметра 1, 5-2, 5 (в зависимости от диапазона измерений.

В вискозиметре, представленном на рис. 10.5, б, стабилизация объемного расхода анализируемой жидкости осуществляется пневматической системой автоматического регулирования, состоящей из диафрагмы 4, дифманометра 7, пневматического регулятора 8 и исполнительного механизма 2. Анализируемая жидкость подается из напорной емкости 1 с переливной трубкой. Возможность стабилизации расхода жидкости таким способом базируется на том, что перепад давлений на диафрагме (P₀—P₁) практически не зависит от динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости (например, нефтяных масел) изменяется незначительно.

При таких условиях поддержание постоянного перепада давления (P₀—P₁) обеспечивает постоянство объемного расхода анализируемой жидкости. Змеевик 3, диафрагма 4 и капилляр 5 размещены в водяном термостате 9, где поддерживается температура, равная 100°С, за счет подачи в него насыщенного водяного пара при атмосферном давлении. Перепад давления P₁—P₂ на капилляре измеряется дифманометром 6 с пневматическим выходным сигналом. Класс точности вискозиметра 2, 5.

Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости.

Это движение описывается законом Стокса:

, (10.20)

где W — скорость равномерного падения шарика; r_ш — плотность материала шарика (r_ш> r); r — радиус шарика.

Если учесть, что плотность анализируемой жидкости изменяется незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика, то выражение (10.20) можно преобразовать к виду

, (10.21)

где —постоянный коэффициент.

Обычно измерение скорости W сводится к измерению отрезка времени t, за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постоянный отрезок пути l между двумя принятыми отметками. В этом случае

(10.22)

где — постоянный коэффициент.

На рис. 10.6 показана схема шарикового вискозиметра циклического действия. Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик падает в анализируемую жидкость. С помощью дифференциальных трансформаторов (см. гл. 5) 3 и 2 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. С помощью измерителя временных интервалов 10 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость. Класс точности вискозиметра 2.

Известны конструкции вискозиметров с падающим телом непрерывного действия [23].

Ротационные вискозиметры. Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска и т. п.), погруженного в измеряемую среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент в общем случае описывается выражением

, (10.23)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; - угловая скорость вращения ротора (при постоянной угловой скорости крутящий момент однозначно определяет вязкость жидкости).

Из большого многообразия конструкций вращающихся элементов ротационных вискозиметров в автоматических анализаторах обычно используются конструкции, показанные на рис. 10.7. Вискозиметры, представленные на рис. 10.7, а—в, объединяет общий принцип действия, в соответствии с которым вязкость определяется по моменту сил трения, возникающему при вращении тела, погруженного в анализируемую жидкость. Таким телом может быть цилиндр (рис. 10.7, а), шар (рис. 10.7, б) или диски, посаженные на общий вал и расположенные между неподвижными шайбами (рис. 10.7, в). В вискозиметрах момент вращения, создаваемый диском (рис. 10.7, г) или цилиндром 2 (рис. 10.7, д), передается через жидкость диску или цилиндру 3. Диску или цилиндру вращательное движение сообщается синхронным двигателем 1. Вращающий момент, возникающий на диске (цилиндре) 3, аследовательно, на шкиве 5, насаженном на одном валу 4 с диском (цилиндром) 3, пропорционален динамической вязкости. Этот момент уравновешивается силой упругой деформации пружины 7, соединенной с гибкой нитью 6, которая прикреплена к шкиву 5. Значение деформации пружины можно наблюдать по шкале 8. С помощью преобразователя 9 сила упругой деформации пружины 7 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Характерной особенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон измеряемых значений вязкости (0, 01— 1000 Па× с). Классы точности ротационных вискозиметров 1—2, 5.

 

 

Тема 10. Измерение концентрации растворов (2 часа)

Контактная и бесконтактная кондуктометрия. Потенциометрический метод анализа.

 

Измерения концентрации ( [1], Глава 11)

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: