Буйковые средства измерений уровня

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элемен­том в этих уровнемерах является цилиндрических буек, изготовлен­ный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Бу­ек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Пре­образование веса буйка в сигнал измерительной информации осу­ществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила — давление» и «сила — ток». В соответствии с видом используе­мого преобразователя силы различают пневматические и электри­ческие буйковые уровнемеры.

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 - Схема буйкового пневматического уровнемера

Уровнемер работает следующим образом. Когда уровень жидкости становится больше h_0, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается, а следовательно, уменьшается и момент М_1, создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М₂ становится больше М_1, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8 поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной, сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот же сигнал одновременно посылает в сильфон отрицательной обратной связи 5 при действии давления Р_вых. Возникает сила R, момент М₃ которой совпадает по направлению с моментом М₁, т.е. действие силы R направлено на восстановление равновесия рычага 2 движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной 0, то есть

М₁ + М₃ – М₂ = 0 (1)

Представляя моменты М₁, М₂, М₃ в виде произведений соответствующих сил и плеч, получим

Gl₁ + Rl₃ = Nl₂,

где G – вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h;

l₁, l₂, l₃ - плечи действующих сил относительно точки О;

R – сила, развиваемая сильфоном 5;

N – вес противовеса.

Силы G и R определяем из следующих выражений:

;

R=f_эфР_вых^,

где d и Н_σ – диаметр и длина буйка (последняя определяет диапазон измерений уровнемера);

ρ – плотность материала буйка;

ρ _ж – плотность жидкости;

h – глубина погружения буйка в жидкость, т.е. текущее значение измеряемого уровня;

f_эф – эффективная площадь сильфона 5.

Подставляя выражения для сил G и R в равенство (1), получим

В этом равенстве - вес буйка в воздухе.

Если выбрать произведение равным , чего можно достигнуть, изменяя, например, плечо l₂ то

откуда

Р_вых= , (2)

где k= - коэффициент передачи уровнемера.

Выходной сигнал Р_вых уровнемера линейно связан со значением измеряемого уровня h. Выражение представляет собой изменение веса ∆ G буйка, поэтому равенство (2) можно преобразовать к виду

Р_вых= k*∆ G, (3)

где k*= l₁/(f_эф l₃) – постоянный коэффициент.

Зависимость (3) позволяет градуировать буйковые уровнемеры весовым методом.

Выходной сигнал пневматических буйковых уровнемеров изменяется в диапазоне 0, 02 – 0, 1 МПа при изменении уровня от нуля до максимального значения. Начальное значение выходного сигнала (0, 02МПа) задается пружиной 6 для предотвращения автоколебаний измерительной системы уровнемера служит демпфер 4 герметизация технологического аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной мембраной 3 при необходимости буек может быть установлен в выносной камере, располагаемой вне технологического аппарата. Минимальный верхний предел измерений пневматических уровнемеров – 0, 02 м, максимальная – 16 м.

Рассмотренной модификации пневматических уровнемеров выпускают уровнемеры, оснащенные унифицированным преобразователем «сила – давление» рисунок 1.20.

Рисунок 1.20 - Схема унифицированного преобразователя «сила – давление»

Принципиальное отличие преобразователя «сила – давление», от рассмотренного ранее – в наличии Г - образного рычага 3 с ножевой опорой 4, последняя может перемещаться вдоль Г – образного рычага, чем достигается изменение пределов измерений преобразователя в широком диапазоне. Отличительной особенностью преобразователя является и то, что конструкция рычага 1 позволяет подключать чувствительные элементы разных видов. Стрелками показаны направления усилий, развиваемых подключаемыми чувствительными элементами. Назначения остальных элементов преобразователя (пружины 2 корректора нуля, управляемого пневмосопротивления 5, сильфона обратной связи 6 и усилителя мощности 7).

Схема соединения буйка с унифицированным преобразователем приведена на рисунке 1.21 здесь 1 – груз, уравновешивающий вес буйка; 2 – Т – образный рычаг унифицированного преобразователя 3.

Рисунок1.21 - Схема соединения буйка с унифицированным преобразователем

Для преобразования уровня в унифицированный токовый сигнал разработаны буйковые электрические уровнемеры, оснащенные унифицированным преобразователем «сила – ток» рисунок 1.22.

Рисунок 1.22 - Схема унифицированного преобразователя «сила – ток»

1 – Т – образный рычаг; 2 – пружина корректора нуля; 3 – Г – образный рычаг; 4 – ножевая опора; 5 – индикатор перемещений; 6 – рычаг обратной связи; 7 – элемент обратной связи; 8 – электронный усилитель.

Верхние пределы измерений уровнемера значениями 0, 02 – 16м.

Буйковые средства измерений уровня применяются при темпе­ратуре рабочей среды от минус 40 до плюс 400°С и давлении рабочей среды до 16 МПа. Классы точности буйковых уровнемеров 1, 0 и 1, 5.