Расчет передаточной функции

а – поплавочный датчик уровня; б – плунжерный датчик выталкивающей
силы; в – дифференциальный датчик перепада давления.
Плунжер (рисунок 3.11, б) представляет собой погруженный в жидкость цилиндр, высота которого не меньше максимальной высоты жидкости в резервуаре. Плунжер подвешен к динамометрическому датчику, находящемуся под действием силы F (кажущийся вес), зависящей от гидростатической высоты h жидкости:
(3.1)
где Р — вес плунжера;
S — площадь его поперечного сечения;
gSh — архимедова выталкивающая сила, действующая на объем по-
груженной части плунжера;
— плотность жидкости;
g — ускорение силы тяжести.
Дифференциальный датчик перепада давления располагается у дна резервуара (рисунок 3.11, в), где давление р равно:
(3.2)
где p₀ — давление в свободной от жидкости верхней части резервуара, которое
может быть равным или не равным атмосферному давлению;
gh — гидростатическое давление на высоте h в жидкости, плотность кото-
рой ;
g — ускорение силы тяжести.
Чувствительным элементом датчика является мембрана, с одной стороны которой действует давление р, а с другой — давление р₀. Деформация мембраны, преобразованная в электрический сигнал, пропорциональна уровню А. Когда уровень известен, измерение р позволяет определить плотность .
Этот малогабаритный прибор создает меньше проблем, связанных с его установкой, чем два предыдущих, и он может применяться при наличии мешалки.
Электрофизические методы. Это единственная группа методов, в которых используются специальные датчики, непосредственно преобразующие уровень в электрический сигнал. Их преимущества заключаются в простоте приборного оборудования и в удобстве эксплуатации.
Датчик, измеряющий электропроводность. Он применяется только в электропроводных жидкостях (минимальная электрическая проводимость порядка 50 мкСм), не коррозирующих и не содержащих эмульсий или суспензий (например, масел).
Зонд образован двумя цилиндрическими электродами, одним из них может служить стенка резервуара, если он сделан из металла. Зонд запитывается слабым переменным (чтобы избежать поляризации электродов) электрическим током с напряжением — 10 В (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 – Определение уровня зондами, измеряющими электропро-
водность:
а – двумя электродами (емкость из неэлектропроводного материала);
б – одним электродом (ёмкость из электропроводного материала); в – ука-
затель уровня (емкость из электропроводного материала).
При непрерывном измерении зонд размещается вертикально, и длина его охватывает весь диапазон изменений уровня. Амплитуда изменения циркулирующего электрического тока пропорциональна длине погруженной части электрода, а величина его зависит от электропроводности жидкости.
Для указания уровня можно, например, поместить зонд горизонтально на высоте предельного уровня. Появление электрического тока постоянной амплитуды покажет, что жидкость достигла зонда.
Емкостный датчик. В случае неэлектропроводной жидкости можно использовать конденсатор, образованный либо двумя цилиндрическими электродами, либо одним электродом и стенкой резервуара (если он сделан из металла). Диэлектриками являются жидкость, заполняющая часть резервуара, и воздух над нею.
Электроды для измерения текущего или для указания предельного уровня устанавливаются так же, как для датчика, измеряющего электропроводность.
Измерение или указание уровня сводится к определению изменения емкости, причем это изменение тем больше, чем больше диэлектрическая постоянная контролируемой жидкости s_r превышает диэлектрическую постоянную воздуха. Обычно условием применимости метода считается >2. В случае электропроводной жидкости используют один электрод, покрытый изолирующим материалом, представляющим собой диэлектрик - конденсатора, а остальная арматура сводится к соединению с жидким проводником.
Методы, основанные на использовании излучений. Преимущество этих методов состоит в возможности выполнения измерений без контакта с жидкостью, поэтому они применимы и в жестких условиях высокой температуры, высокого давления, агрессивных веществ.
Измерение поглощения f-излучения. Источник и приемник излучения размещены диаметрально противоположно вне резервуара. Такое расположение особенно удобно в случае сильно корродирующих жидкостей или при высоких давлении и температуре. В качестве источника f-излучения используется изотоп кобальта ⁶⁰Со (Т = 5,3 года) или цезия ¹³⁷Cs (Т = 33 года). Приемником является либо ионизационная камера, либо несколько трубок Гейгера— Мюллера.
При указании уровня источник и приемник размещены один напротив другого на предельном уровне, достижение которого необходимо указать. Источник, обычно снабженный коллиматором, испускает в направлении приемника узкий пучок f-лучей. Когда уровень жидкости достигает предельного, происходит изменение ослабления пучка f-излучения, что преобразуется приемником в соответствующий электрический сигнал.
При непрерывном измерении источник излучения экранируют таким образом, чтобы он испускал пучок с углом раскрытия, охватывающим, с одной стороны, полную высоту резервуара и, с другой стороны, положение приемника. Подъем жидкости в резервуаре постепенно уменьшает интенсивность дозы излучения, получаемой приемником, и выходной ток приемника уменьшается непрерывно по мере повышения уровня жидкости.
Измерение с помощью акустических волн. При непрерывном измерении используют преобразователь, работающий поочередно в режиме излучателя и в режиме приемника. Этот преобразователь, размещенный в верхней части резервуара, излучает последовательности акустических волн в пределах конуса с небольшим углом раскрытия. После отражения от поверхности жидкости волны возвращаются к прибору, который преобразует их в электрический сигнал.
Промежуток времени kt между излучением и приемом последовательности отраженных волн пропорционален расстоянию от зонда до поверхности жидкости и, следовательно, зависит от ее уровня. Величина обратно пропорциональна скорости звука, которая зависит от температуры. Поэтому требуется измерять температуру, чтобы иметь возможность внести необходимую поправку. Генератором ультразвуковых волн (например, с частотой 40 кГц) может служить керамический пьезоэлектрический элемент; для излучения звуковых волн применяют зонд электродинамического типа. Звуковые волны, которые при распространении ослабляются меньше, находят применение при измерении больших расстояний (от 10 до 30 м), а ультразвуковые волны на коротких расстояниях обеспечивают более высокую точность. Зонд для указания предельного уровня состоит из электромеханического осциллятора, действие которого требует приведения мембраны в колебательное движение. Колебания мембраны возможны, пока она соприкасается с воздухом; когда мембрана входит в контакт с жидкостью, колебания прекращаются из-за увеличения демпфирования. Наличие или отсутствие колебаний фиксируется соответствующей электрической схемой.
Отметим, что некоторые из описанных выше методов измерения уровня жидкости применимы и в случае сыпучих тел. К ним относятся, в частности, емкостный метод, пригодный для порошкообразных и непроводящих веществ, а также методы, в которых используется ядерное или акустическое излучение.

3.3 Выбор и расчет датчика уровня жидкости

Для имеющейся схемы автоматического несвязанного регулирования ректификационной колонны, на основе классификационного анализа, выберем в качестве датчика уровня жидкости – поплавковый уровнемер ПК-16. Выбираем этот уровнемер исходя из того, что он прост в использовании, является более точным в измерениях.

Технические данные:
Диапазон настройки уровня срабатывания в мм 0 — 365
Статическое давление в кг/см* 16
Чувствительность в мм ±5
Разрывная мощность контактов при напряжении переменного тока 220 в и омической нагрузке в В 220
Допустимая температура измеряемой среды в °С 200
Вес в кг 135
Реле выпускается в виде двух модификаций: ПК-16-СУ- 4 — только для работы во взрывобезопасных помещениях; ПШ-64-СУВЗГ- 4 — для помещений, отнесен­ных ко 2-й и 3-й категориям и группам А, Б, Г по воспламеняемости.
Действие датчика (рисунок 3.13) основано на использовании поплавка постоянного погружения. Изменение уровня жидкости в резервуаре вызывает перемещение поплавка 1, который посредством системы рычагов 2 связан с контактным устрой­ством 3, состоящим из четырех ртутных выключателей IV, два из которых работают на замыкание, а два других — на размыкание. Установка пределов срабатывания осуществляется регулировкой положения переключателей.

Рисунок 3.13 – Принципиальная схема датчика уровня ПК-16
Методика расчета поплавкового уровнемера включает следующие этапы:
1) Расчёт подъемной силы поплавка (рисунок 3.14) в общем случае, по закону Архимеда, равна:
(3.3)
где - объём поплавка;
- площадь сечения поплавка;
- удельный вес жидкости, в которую погружена нижняя часть поплав-
ка;
- удельный вес среды над поверхностью жидкости.
2) Для поплавка постоянного сечения
(3.4)
где - высота поплавка

Рисунок 3.14 – Поплавок в зоне раздела двух сред
3) Соотношения (3.3) и (3.4) пригодны для расчета датчиков уровня поверхности, раздела двух не­смешивающихся жидкостей. Для открытой поверхности жидкости можно пре­небречь удельным весом газа , при этом
(3.5)
4) Для поплавка постоянного сечения
(3.6)
Возможны два принципа построения поплавковых датчиков (рисунок 3.15, а и б). В первой схеме (рисунок 3.15, а) противодействующая сила создается весом поплавка F = G = const, соответственно уровень погружения поплавка постоянен и последний повторяет изменения уровня Н. Выходным преобразо­вателем служит датчик перемещения любой системы.
5) Во второй схеме (рисунок 3.15, б) противодействующее усилие создается пру­жиной и изменяется при перемещении поплавка
(3.7)
где - перемещение поплавка;
- жесткость упругого элемента.
6) Перемещение поплавка определяется из выражения
(3.8)
и может быть сделано значительно меньше изменения уровня х. При использо­вании в качестве выходного преобразователя датчика усилия (магнитоупругого, компенсационного) х_п ≈ 0.

Рисунок 3.15 – Схемы поплавковых датчиков уровня: