Гидростатический и пневматический методы

Оба метода пригодны для измерения уровня любых жидкостей. При выборе материала трубки, используемой для измерения давления, необходимо учитывать химические свойства жидкостей. Гидростатический и пневматический методы индикации уровня отличаются друг от друга тем, что при гидростатическом методе используется непосредственно давление, оказываемое жидкостью на дно сосуда, тогда как при пневматическом методе в резервуар должен принудительно подаваться воздух или защитный газ.

Указанные методы применяют в промышленности для измерения уровня жидкости в паровых котлах, перегонных кубах, реакторах и. т.д.

Выводы. Преимущество гидростатического и пневматического способа измерения уровня заключается в том, что они обладают весьма высокой эксплутационной надёжностью. Гидростатический метод можно использовать, в частности, для измерения уровня в резервуарах высокого давления. Преимущество пневматического метода состоит в том, что измерительный механизм не находится в контакте с измеряемым материалом. Поэтому его очень удобно применять в случае агрессивных, сильно загрязнённых, вязких и склонных к кристаллизации жидкостей.

Ультразвуковой метод

Ультразвук можно использовать для измерения уровня жидкостей, так и сыпучих материалов. Способ непригоден лишь для измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, которые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым привести к погрешностям измерения. Такие химические и физические свойства жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, играют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измерения уровня позволяет осуществить сигнализацию уровня сыпучих материалов, а также лёгких хлопьевидныхсодержащих воздух материалов, например стиропора целлюлозы, мелкозернистых или порошкообразных синтетических материалов. Область применения этого метода распространяется также и на измерение уровня жидкости в сосудах из дерева и пластика, где сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не всегда пригоден.

Физические основы. Для измерения уровня необходимо наличие излучателя и приёмника ультразвуковых импульсов, представляющих собой механические колебания в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колебания, два способа получения которых: магнитострикционный и пьезоэлектрический.

Время прохождения или поглощения луча может служить мерой уровня.

При измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление ультразвука. Излучатель и приёмник должны входить внутрь резервуара и располагаться строго друг напротив друга. При заполнении пространства между двумя вибраторами реле посылает сигнал. Этот метод используют для сигнализации предельных величин сыпучих материалов.

Для жидкостей более удобен метод, основанный на измерении времени прохождения сигнала, отражённого от поверхности (принцип эхолота).

Выводы: Преимущество измерения уровня посредством ультразвука заключается в том что этот метод удобен для измерения уровня заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по конструктивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим способом измерения. Разумеется этот метод требует больших расходов, так как кроме магнитострикционных или пьезоэлектрических вибраторов, необходим наличие частотных генераторов.

Частотный датчик уровня

Среди такого многообразия датчиков, нельзя не обратить внимание на необычный способ измерения уровня, предложенный В.Н. Скугоровым [1].

Метод основан на измерении собственной частоты уровнемерной трубки. Эта частота меняется в зависимости от момента инерции относительно оси вращения, который в свою очередь меняет своё значение при заполнении уровнемерной трубки. Для регистрации этой частоты используется автоколебательная система возбуждения-съёма.

Уровнемер является достаточно простым прибором, преобразующим уровень жидкости в частоту электрических импульсов. Благодаря частотной форме сигнала датчик может быть использован в системе обегающего контроля с цифровыми машинами обработки информации и в системах телемеханики, а его сигнал - передаваться по уплотнённым каналам связи, поскольку частота сигнала довольно низкая.

Датчик обладает высокой степенью воспроизводимости результатов измерения, вариация показаний не превышает ±0.14%. А также имеет большую точность и добротность как и все частотные электромеханические датчики.

Произведём расчёт параметров описанного датчика в соответствии с заданием.

Расчёт упругой опоры

Уровнемерная трубка датчика укреплена на плоской упругой пружине прямоугольного поперечного сечения, что даёт ей возможность совершать угловые колебательные движения. Во избежание уменьшения добротности и увеличения стабильности колебаний монтируем её на массивном металлическом основании.

Плоская пружина изготавливается из эльинвара (Н41ХТ, Е=180*10⁹ Па), имеет длину 50 мм и сечение 20*2 мм.

Расчётная схема будет представлять собой консольно-закреплённую балочку.

Для нахождения угловой жёсткости пластины найдём зависимость угла отклонения от действующего на неё момента.

Для этого используем способ Верещагина по определению перемещений.

Строим эпюру от нагрузки М.

Строим эпюру от единичного момента направленного в интересующем нас направлении.

Теперь по способу Верещагина находим угловое перемещение овальной трубки. Для этого перемножаем эпюры между собой и делим на изгибную жёсткость EJ.

Где φ - угол отклонения трубки [рад].

М - момент действующий на трубку [Н*М].

L - длина трубки 50 мм = 0.05 м.

Е - модуль упругости эльинвара: E=180*10⁹ Па

J - осевой момент инерции сечения.

Определение момента инерции овального сечения.

Момент инерции сплошного сечения относительно оси X равен:

Для нахождения момента инерции полой трубки воспользуемся следующими формулами:

Определение момента инерции прямоугольного сечения.

Находим:

Далее, зная зависимость φ (М), определяем угловую жёсткость упругой заделки.

M=H*φ (M)

Где H - угловая жёсткость упругой опоры.

Откуда следует, что H=M/φ (M)

Следовательно H=1/0.0208=26