Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

мических свойствах измеряемых веществ. Так, например, многие

методы измерения уровня жидкостей непригодны для измерения

сыпучих веществ.

Приборы, используемые для измерений в открытых емкостях,

бывают неприменимы для закрытых емкостей, работающих при

высоких давлениях.

Измерители уровня изготовляются в виде механических, элект-

рических, радиоактивных и других устройств. В числе механиче-

ских уровнемеров особую группу составляют гидростатические

уровнемеры, измеряющие уровень косвенным способом по давле-

нию столба жидкости.

§ 26. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ УРОВНЯ

Уровень жидкости в небольших по высоте резервуарах наибо-

лее просто контролируют с помощью водомерных стекол. Водо-

мерное стекло представляет собой вертикальную прозрачную

трубку небольшого диаметра, сообщающуюся с нижней и верхней

частями резервуара. Жидкость в водомерном стекле и резервуа-

ре находится на одном уровне. Водомерное стекло снабжается

Рис. 108. Схема из-

мерения уровня с

помощью поплавка

Рис. 107. Водоуказатель-

ное стекло:

1 — запорные вентили, 2—

продувочный ветиль, 3 —

быстродействующий запор-

ный клапан

141

шкалой для отсчета высоты

уровня.

К недостаткам водомерных

стекол относятся: трудность дис-

танционной передачи показаний,

нарушение видимости уровня при

загрязнении стекла, малая меха-

ническая прочность, создающая

опасность для обслуживающего

персонала при наблюдении за уровнем через водомерные стек-

ла, установленные на резервуарах с высоким внутренним давле-

нием.

Водомерные стекла в большинстве случаев являются частью

резервуаров и поставляются вместе с ними. На рис. 107 изобра-

жен общий вид стекла для контроля уровня воды в барабане

парового котла высокого давления.

Для открытых резервуаров и резервуаров с низким внутрен-

ним давлением применяют разнообразные по конструкции по-

плавковые механические указатели уровня. Поплавок помещают

непосредственно на поверхности жидкости внутри резервуара

(рис. 108). С помощью троса или рычажной передачи перемеще-

Рис. 109. Схема следящего поплавкового

уровнемера:

1 — поплапок, 2 —счетчик для согласования

сельсинов, 3 — противовес, 4 — вспомогательный

барабан, 5 — сельсин-датчик, 6 — мерительный

барабан, 7 — вторичный прибор с сельсином-

приемником

которые действуют противоположные по направлению вращаю-

щие моменты от веса поплавка и уравновешивающего груза.

Вследствие некоторого преобладания вращающего момента от

поплавка мерительный барабан поворачивается и разматывает

трос до тех пор, пока поплавок не опустится на поверхность из-

меряемого вещества. Силовое действие поплавка на трос умень-

шается. В этом положении уравновешивающий груз будет пре-

пятствовать дальнейшему повороту барабана. При повышении

уровня уравновешивающий груз будет поддерживать определен-

ное натяжение троса, поворачивая барабан в обратном направ-

лении. Таким образом, поплавок будет непрерывно находиться в

142

ниє поплавка передается на

отсчетное приспособление,

расположенное вне резервуа-

ра. В закрытых резервуарах

детали измерительного меха-

низма выведены наружу че-

рез сальниковые уплотне-

ния, резиновые манжеты или

сильфоны.

Если поплавок неудобно

располагать непосредствен-

но в резервуаре, его помеща-

ют в дополнительный сосуд,

включенный подобно водо-

мерному стеклу. Уровень в

этом сосуде изменяется оди-

наково с уровнем в основном

резервуаре.

К числу поплавковых

уровнемеров с электрической

дистанционной передачей от-

носится прибор типа УМ

(рис. 109). На одной из осей

посажены два барабана, на

соприкосновении с поверхностью вещества. Значение уровня оп-

ределяется длиной троса, размотанного с мерительного барабана.

Ось барабана через зубчатую передачу связана с валом сель-

сина-датчика, который в свою очередь электрически соединен с

сельсином-приемником в показывающем приборе. Стрелка ука-

зателя в определенном масштабе повторяет движение барабана и

указывает по шкале значение

измеряемого уровня. Диаметр

барабана и длина троса рас-

считаны на измерение уровня в

пределах 0—20 м. Преимуще-

ством такого прибора является

отсутствие контактов в электри-

ческой цепи. Наиболее рацио-

нальная область применения

такого уровнемера — измере-

ние уровня жидкостей в откры-

тых резервуарах.

К приборам поплавкового

типа относятся буйковые уров-

немеры, основанные также на

использовании выталкивающей

силы, действующей на погру-

женное в жидкость тело.

В отличие от поплавка, име-

ющего небольшую высоту по

отношению к диаметру, буек

изготовляется в виде цилиндра

значительной длины, небольшо-

го диаметра и с удельным ве-

сом больше удельного веса из-

меряемой среды. В процессе из-

мерения буек может иметь раз-

личную степень погружения в

измеряемую среду, в то время

как поплавок всегда находится

на поверхности.

Схема датчика уровня буйкового типа с дифференциально-

трансформаторной системой передачи показаний на вторичный

прибор приведена на рис.110. Буек закреплен на неподвижном

основании с помощью пружины, которая деформируется в опре-

деленных пределах под действием веса буйка.

При повышении уровня измеряемой среды определенная часть

буйка погружается и на нее действует выталкивающая сила, рав-

ная весу вытесненной жидкости. Под действием этой силы буек

перемещается в вертикальном направлении и деформация пружи-

ны уменьшается.

143

Рис. ПО. Схема буйкового датчика

уровня:

I — сердечник индукционной передачи

показаний, 2 — противодействующая

пружина, 3 — буек

В зависимости от коэффициента жесткости пружины и разно-

сти удельных весов буйка и измеряемой среды перемещение буй-

ка в определенном масштабе соответствует изменению уровня.

Например, при изменении уровня в пределах 600 мм можно полу-

чить перемещение буйка в пределах 20 мм и использовать для

дистанционной передачи показаний дифференциально-трансфор-

маторную систему с соответствующей градуировкой шкалы вто-

ричного прибора в пределах действительного изменения уровня.

Буйковые уровнемеры могут применяться для измерения уров-

ня жидкостей в открытых и закрытых резервуарах, но при отно-

сительно небольших диапазонах изменения уровня в сравнении с

поплавковыми уровнемерами.

Простейшим приспособлением для измерения уровня сыпучих

веществ служит измерительная линейка в виде штанги, которую

опускают в емкость до соприкосновения с поверхностью вещест-

ва, находящегося в ней; по линейке визуально (на глаз) опреде-

ляют положение уровня по отношению к выбранной исходной от-

метке.

На некоторых электростанциях применяют устройство для из-

мерения уровня угольной пыли в бункерах при помощи периоди-

чески опускающейся штанги, связанной с электрической лебед-

кой (рис.111).

144

Рис. 111. Схема

зондового уровне-

мера для сыпучих

веществ:

I — измерительная

штанга. 2 — бункер,

3 — уплотнение, 4 —

крепление троса, 5—

трос, 6 — контактный

блок, 7 — барабан ле-

бедки, 8 — схема уп-

равления, 9 —ключи

управления, 10 — све-

товое табло

Двигатель лебедки включается от реле времени или от кнопки

дистанционного управления. Штанга подвешена на тросе, намо-

танном на барабан лебедки. При включении двигателя трос раз-

матывается и штанга опускается внутрь бункера. Когда штанга

достигает уровня пыли, натяжение троса резко ослабевает. Это

приводит к срабатыванию контакта в одном из блоков, через ко-

торый протянут трос.

Лебедка автоматически переключается на обратный ход и под-

тягивает штангу в исходное положение.

Вращение барабана лебедки происходит одновременно с дви-

жением щетки переключателя, замыкающего цепи группы реле.

Каждое реле включает соответствующие лампочки в световом

табло, показывающем значение измеренного уровня. Показания

табло сохраняются до следующего измерения. Отсутствие посто-

янного контакта штанги с поверхностью пыли исключает возмож-

ность ее повреждения при заполнении бункера.

Механические уровнемеры имеют невысокую точность измере-

ний, значительную инерционность действия и недостаточно на-

дежны в эксплуатации вследствие износа подвижных частей.

§ 27. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАДИОАКТИВНЫЕ ПРИБОРЫ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

Уровень сыпучих и жидких тел можно измерять косвенным

способом с применением электрических преобразователей, осно-

ванных на использовании зависимости электрических характери-

стик от толщины слоя измеряемого вещества. Применяют уровне-

меры с датчиками емкостного и омического типов.

Емкостный датчик представляет собой металлический элек-

трод в виде стержня, покрытого слоем электрической изоляции

из пластмассы. Электрод вместе с измеряемым веществом обра-

зует конденсатор, емкость которого зависит от глубины погру-

жения электрода.

Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения

уровня жидкостей в открытых и закрытых резервуарах. Конст-

рукция емкостного датчика видоизменяется в зависимости от

условий применения.

К недостаткам емкостных датчиков относится значительная

зависимость показаний от состояния изоляции электрода.

Поддержание высокого качества изоляции при сопротивле-

нии в тысячи мегом сопряжено с большими трудностями, осо-

бенно при измерении уровня агрессивных веществ и при повы-

шенной влажности окружающей среды.

На рис. 112 показана принципиальная схема емкостного

уровнемера ЭИУ. Электронный генератор высокой частоты

через индуктивные катушки L\ питает мостовую схему, состоя-

145

щую из емкостного датчика, подстроенного конденсатора С

катушек L

. К диагонали моста через выпрямитель подключен

измерительный прибор, шкала которого отградуирована в

единицах уровня.

Принцип действия датчиков омического типа основан на

изменении проводимости слоя измеряемого вещества при по-

гружении в него металлического неизолированного электрода.

Рис. 112. Схема емкостного измерителя уровня

ЭИУ

Омические датчики применяют только для измерения уровня

веществ, обладающих заметной электропроводностью.

Омические датчики не получили широкого распространения

из-за низкой точности, так как проводимость вещества, уровень

которого измеряется, зависит не только от уровня, но и от хи-

мического состава и влажности.

Более перспективны для непосредственного измерения

уровня приборы, использующие радиоактивные изотопы. Радио-

активный метод измерения уровня заключается в определении

положения границы раздела сред, имеющих различную плот-

ность. Источники радиоактивного излучения и счетчики излу-

чения располагают за пределами емкости, в которой измеряется

уровень.

Один из способов радиоактивного контроля состоит в том,

что с одной стороны бункера через определенные промежутки

146

147

Рис. 114. Общий вид установки ра-

диоактивного уровнемера на резер-

вуаре с жидкостью

Рис. 113. Схема радиоактивного уров-

немера УР-6А:

1 — колонка излучателя, 2 — резервуар с

измеряемой жидкостью, 3 — колонка счет-

чика, 4 — электрическая схема, 5 — вторич-

ный прибор

по его высоте устанавливают несколько радиоактивных источни-

ков, заключенных в свинцовые контейнеры. Каждый контейнер

имеет одну открытую сторону, обращенную к стенке бункера.

Свинцовая оболочка защищает окружающую среду от вредных

излучений.

С противоположной стороны бункера на уровне излучателей

располагают так называемые счетчики Гейгера, которые выдают

электрические импульсы при прохождении через них радио-

активных частиц.

Каждый счетчик соединен со своим электронным усилителем.

Усилители имеют на выходе сигнальные лампы. Если на пути

лучей, проникающих через бункер, нет вещества, уровень кото-

рого измеряют, то сигнальные лампы зажигаются. По мере

заполнения бункера уровень повышается и сигнальные лампы

каждого датчика последовательно гаснут. Так определяется по-

ложение уровня внутри бункера.

Лампы располагают в одном табло, имитирующем в мас-

штабе размеры бункера. Затемненная часть табло соответствует

заполненному объему бункера, освещенная часть — свободной

части бункера.

Другой вид устройства для радиоактивного контроля уровня

(рис. 113 и 114) выполняется в виде следящей системы, которая

имеет только один источник излучения и один счетчик, установ-

ленные на противоположных сторонах резервуара с жидкостью.

Излучатель и счетчик с помощью механизмов перемещаются

по вертикали, находясь все время на одном уровне по отноше-

нию друг к другу. Механизмы приводятся в движение сельси-

нами.

Лучи, действующие на счетчик, пересекают внутреннюю по-

лость резервуара. Если на пути лучей встречается слой веще-

ства, интенсивность излучения уменьшается. Это ослабление

излучения воспринимает счетчик, который воздействует на под-

ключенный к нему электронный усилитель. Усилитель через ре-

версивный электродвигатель приводит в движение сельсин-дат-

чик и связанные с ним два других сельсина-приемника. Один из

сельсинов-приемников перемещает каретку с источником излу-

чения, а другой — каретку со счетчиком. Движение происходит

до тех пор, пока излучатель и счетчик не поднимутся на высоту

уровня вещества в резервуаре. При переходе границы уровня

измеряемой жидкости интенсивность излучения, воспринимае-

мого счетчиком, увеличивается, и электродвигатель останавли-

вается. Если уровень жидкости начнет понижаться, то интенсив-

ность излучения возрастает, и электродвигатель привода

сельсинов переключится на обратное вращение. Каретки с излу-

чателем и счетчиком будут перемещаться в сторону понижения

уровня.

Радиоактивный датчик такого типа позволяет непрерывно

измерять высоту уровня. Положение счетчика и излучателя пе-

редается на вторичный прибор также посредством сельсина.

Радиоактивный уровнемер следящего типа применим для

контроля уровня жидкостей в открытых и закрытых резервуа-

рах.

К недостаткам такого уровнемера относится наличие боль-

шого количества механических вращающихся частей, что зна-

чительно снижает эксплуатационную надежность прибора и

требует квалифицированного обслуживания.

Общий недостаток всех радиоактивных приборов —опас-

ность вредного воздействия на организм человека радиоактив-

ных излучений. При работе с такими приборами необходимо

строго соблюдать правила обращения с радиоактивными пре-

паратами (см. приложения). Эти правила содержатся в инст-

рукциях, прилагаемых к каждому прибору с радиоактивными

датчиками.

Радиоактивные приборы должны применяться только в тех

случаях, когда измерение не может быть осуществлено с ис-

пользованием более простых средств.

§ 28. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Гидростатические уровнемеры получили наиболее широкое

применение для контроля уровня воды в барабанах паровых

котлов.

148

Работа такого барабана отличается специфическими особен-

ностями: высокими внутренним давлением и температурой, интен-

сивным испарением воды, сравнительно узкими пределами до-

пустимых колебаний уровня, значительным изменением удель-

ного веса воды и пара при колебаниях давления и температуры

во время неустановившихся режимов и в процессе растопки

котла.

Уровень воды в барабане котла наиболее достоверно опре-

деляют по водомерному стеклу, однако это связано с большими

Рис. 115. Схема измерения уровня по перепаду давления:

а — в открытом резервуаре, б — в закрытом резервуаре; 1 — резер-

вуар, 2 — запорный вентиль, 3 — продувочный вентиль, 4 — уравни-

тельный сосуд, 5 — уравнительный вентиль, 6 — дифманометр

неудобствами. Современные энергетические котлы управляются

дистанционно, и средства управления сосредоточены на цент-

ральных щитах, расположенных значительно ниже, чем бара-

баны котлов. Кроме того, как указывалось, наблюдение за водо-

мерными стеклами котлов высокого давления связано с опас-

ностью для обслуживающего персонала, так как стекла

обладают недостаточной механической прочностью.

Гидростатические уровнемеры основаны на измерении раз-

ности давлений двух столбов воды: переменного столба, завися-

щего от уровня воды в барабане, и постоянного по высоте столба,

служащего мерой сравнения. Разность давлений измеряют диф-

манометром, который может быть установлен на любой отметке

ниже барабана котла (рис. 115).

Плюсовой и минусовой сосуды дифманометра связаны с ба-

рабаном импульсными трубками, заполненными водой.

149

Столб воды в плюсовой линии поддерживается постоянным с

помощью уравнительного конденсационного сосуда.

Поскольку сосуд сообщается с паровым пространством бара-

бана котла, то в нем происходит непрерывная конденсация пара

и поддерживается постоянный уровень воды. Излишек конденса-

та стекает обратно в барабан.

Минусовая линия к дифманометру начинается от нижней от-

метки барабана. Расстояние между верхней и нижней отметками

барабана обычно около 1 м. При нор-

мальном режиме уровень воды поддер-

живается в середине между верхней и

нижней отметкой.

На практике применяют уровнеме-

ры с пределами измерения 200—0—

200 мм, 320—0—320 мм и 500—0—

500 мм.

Несмотря на кажущуюся простоту

принципа действия гидростатических

уровнемеров, они имеют серьезные не-

достатки и требуют соблюдения ряда

условий для обеспечения надежной и

правильной работы. Основным принци-

пиальным недостатком гидростатиче-

ских уровнемеров является зависимость

их показаний (рис. 116) от изменения

удельного веса воды и насыщенного

пара, которые сильно меняются при из-

менении температуры и давления в ба-

рабане котла. В табл. 11 приведена зависимость удельного веса

воды и насыщенного пара от температуры и давления.

Таблица 11

Плотность воды и насыщенного пара

при различной температуре и давлении

Рис. 116. Изменение показа-

ний уровнемера от давления

пара в котле

Температура, °С

100

150

200

300

310

320

330

340

350

360

Давление, кгс/см

1,03

4,85

15,86

87,61

100,64

115,12

131,18

148,96

168,63

190,42

Плотность, г/см

воды

0,96

0,92

0,87

0,71

0,69

0,67

0,64

0,61

0,57

0,52

насыщенного пара

0,0006

0,0025

0,0079

0,0462

0,0546

0,0347

0,0771

0,0928

0,1136

0,1440

150