ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

​PIEZOMETRIC LEVEL MEASUREMENT METHOD FOR DETERMINING THE DENSITY OF A LIQUID

Kirill Abramkin

student, department of automated control systems, Magnitogorsk Technical University. G.I. Nosova,

Russia, Magnitogorsk

Arina Dubrovskaya

student, department of automated control systems, Magnitogorsk Technical University. G.I. Nosova,

Russia, Magnitogorsk

Irina Samarina

scientific director, st. teacher, Magnitogorsk Technical University. G.I. Nosova,

Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

Измерение уровня – это контроль раздела двух сред, имеющих разную плотность. За точку отчета принята горизонталь раздела двух сред.

Контроль и измерение уровня жидких сред играет огромную роль при построении систем автоматического регулирования и управления технологических процессов в большинстве отраслях промышленности.

Средства измерения, применяемые для контроля уровня, называют уровнемерами.

ABSTRACT

Level measurement is the control of the separation of two media with different densities. The horizontal line between two media is taken as the reference point.

The control and measurement of the level of liquid media plays a huge role in the construction of systems for automatic regulation and control of technological processes in most industries.

Measuring instruments used for level control are called level gauges.

Ключевые слова: уровнемеры, пьезометрический метод, давление, плотность, поправки.

Keywords: level gauges, piezometric method, pressure, density, corrections.

В зависимости от требований, которые предъявляются при автоматизации, имеют место различные методы контроля и измерения уровня жидких сред.

С учетом того, какие физические свойства вещества воспринимает чувствительный элемент уровнемера, получаем обширную классификацию средств измерения и контроля уровня. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивность, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме этого, необходимо учитывать условия окружающей среды.

Один из методов измерения уровня применяемый в химической, металлургической, пищевой и других промышленностях это пьезометрический метод. Данный метод является разновидностью гидростатического метода.

При работе с гидростатическими уровнемерами измеряем гидростатическое давление Р, которое создается столбом жидкости высотой h c неизменной плотностью ρ:

ρ – плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения;

h – высота, создаваемая столбом жидкости.

В пьезометрических уровнемерах гидростатическое давление измеряется путём измерения давления газа, вдуваемого под слой жидкости по трубке, погружённой на определенную глубину в среде измерения, заполняющую резервуар. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рисунке 1.

Работа уровнемера основана на принципе гидравлического затвора. Пьезометрическая трубка располагается на заданном уровне h₁ от дна резервуара. Для контроля параметра h применяем воздух или инертный газ под давлением P_в, подаваемый через слой среды. Газ поступает в трубку через дроссель, который ограничивает расход газа или воздуха. Давление P_в воздуха после дросселя измеряется дифманометром (ДД).

Давление воздуха при его подаче к пьезометрической трубке методически рассчитывается до значения давления столба жидкости высотой h. Как только давление в трубке будет равно давлению столба жидкости, из открытого конца трубки близкого ко дну резервуара пойдет газ (воздух).

Рисунок 1. Пьезометрический уровнемер

Уровень жидкости определяется по давлению:

P_в – давление воздуха;

P_а – атмосферное давление;

ρ_ж – плотность жидкости.

Тогда уровень:

Необходимо к этому значению добавить h₁, расстояние от дна резервуара до пьезометрической трубки:

При прецизионных измерениях требуется вводить поправки:

– учитывающая вертикальный градиент давления и зависящая от возвышения манометра над нижним обрезом трубки – Dh₁;

– на уменьшение влияния трения по длине импульсной трубки – Dh_тр;

– на потери давления вследствие действия поверхностного натяжения жидкости –Dh_s.

Тогда формула для определения уровня примет вид:

Пьезометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в широких пределах от нескольких сантиметров до 10 – 15 м, и при использовании дифманометра для измерения давления, с унифицированным выходным сигналом, имеет погрешность 1,0 – 1,5 %.

Данные датчики можно применять для измерения уровня жидкости, вязкость которой не превышает 1800 – 2000 сантиСтокс. Это связано с тем, что влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков, отрыв которых от обреза трубки сопровождается возникновением колебаний в измерительной линии, что отражается на точности измерения уровня.

Пьезометрические уровнемеры можно использовать для определения плотности неизвестной жидкости.

В лаборатории технических измерений на кафедре АСУ был выполнен эксперимент для определения плотности неизвестной жидкости с помощью пьезометрического уровнемера. Собрана лабораторная установка, представленная на рисунке 2.

Один резервуар с эталонной жидкостью (с водой), плотность которой известна ρ_э (справочные данные 0,997 г/см³). Во втором резервуаре среда, плотность которой необходимо определить ρ_х. Уровни жидкости в двух резервуарах постоянны. В процессе эксперимента в каждый резервуар опускаем трубку 2, глубина погружения трубки в обоих резервуарах одинакова h. Далее пропускаем воздух через слой жидкости по соединительной трубке 5. Для нагнетания воздуха используется компрессор 7. Трубка 2 перемещается вдоль линейки 3 и фиксируется фиксатором 4 на определенной высоте. Контроль и регулирование (с помощью регулировочного вентиля) расхода воздуха осуществляется ротаметром 6. Измерение давления вдуваемого воздуха выполняется с помощью преобразователя 8 (Метран-100-ДД) и осуществляется контроль на вторичном приборе 9 (показывающий и регистрирующий прибор Диск-250).

Рисунок 2. Лабораторная установка для определения плотности жидкости:

1 – измерительный резервуар; 2 – импульсная трубка; 3 – линейка; 4 – фиксатор; 5 – резиновая трубка; 6 – ротаметр для контроля и установки расхода воздуха; 7 – компрессор; 8 – преобразователь Метран-100 (дифманометр); 9 – вторичный прибор

Результаты эксперимента приведены на рисунке 3 и в таблице.

Рисунок 3. Зависимость давления воды от уровня погружения трубки при разных расходах

Таблица 1.

Экспериментальные данные

В эталонном резервуаре давление вдуваемого воздуха:

а во втором, с испытуемой жидкостью:

Так как уровень погружения h и ускорение свободного падения g одинаковые для двух сред, то плотность испытуемой жидкости можно рассчитать:

Зная плотность и давление воды, а также давление испытуемой жидкости, рассчитываем ее плотность:

По справочным данным было определено, что данной плотности соответствует плотность глицерина.

Список литературы:

1. Иванова, Г.М., Кузнецов, Н.Д., Чистяков, В.С. Теплотехнические измерения и приборы: учеб. пособие. М.: МЭИ, 2005. – 405 с.
2. Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978. – 704 с.
3. Самарина, И.Г., Мухина Е.Ю., Бондарева А.Р. Метрология и технические измерения: практикум. М.: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2021. – 57 с.
4. Самарина, И.Г., Сухоносова Т.Г. Основы метрологии, стандартизации и сертификации: учеб. пособие. – М.: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2017.
5. Самарина, И. Г. Программирование и основы алгоритмизации: практикум / И.Г. Самарина, Е.Ю. Мухина, А.Р. Бондарева. – Магнитогорск: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2021. – 47 с.
6. Фрайден, Дж. Современные датчики: справочник. – М.: Техносфера, 2006. -588 с.