Тепловые уровнемеры жидких сред

Первый вариант уже сам по себе дает предпосылку для измерения уровня, имея неоднородный тепловой профиль контролируемых сред по направлению h. В этом случае возможно применение «пассивных» — не подогреваемых тепловых преобразователей.

Известны дилатометрические уровнемеры. В основу построения датчиков, основанных на использовании теплового расширения твердых тел, положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилатометрический эффект). Чувствительным элементом дилатометрического уровнемера является стержень или трубка, контактируя одновременно с жидкостью и парогазовой смесью. Материалом рабочего тела служит алюминий или латунь, обладающие большим температурным коэффициентом линейного расширения. В результате теплообмена между чувствительным элементом, жидкостью и газом чувствительный элемент приобретает определенную температуру, пропорциональную температурам жидкости и газа, а также текущему значению уровня жидкости в сосуде. Следовательно, при постоянстве температур жидкости и газа средняя температура чувствительного элемента будет являться мерой текущего значения уровня. О средней температуре чувствительного элемента судят по его относительному удлинению. Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого из преобразователей перемещения.

Несмотря на простоту, механическую прочность и надежность дилатометрические уровнемеры вследствие малых диапазонов измерений и невысокой точности не получили широкого промышленного применения.

Рис. 8.1. Преобразователи к тепловым уровнемерам

В манометрических баллонных уровнемерах находят применение манометрические термометры, чувствительным элементом которых является термобаллон: цилиндрический тонкостенный резервуар из материала с хорошей теплопроводностью, заполненный рабочим веществом. В качестве рабочих веществ в манометрических термометрах используются газы (газовые термометры), жидкости (жидкостные термометры), парожидкостные смеси (конденсационные термометры). Термобаллон через капилляр соединяется с манометрическим вторичным прибором, обеспечивающим преобразование давлений в нужный формат сигнала. За счет разницы температур контролируемой жидкости и ее насыщенного пара, а также коэффициентов теплоотдачи от жидкости и от пара по длине датчика устанавливается некоторое распределение температур и соответственно давление в датчике. Давление определяется соотношением частей термобаллона, находящихся в жидкой и паровой фазах. Размер термобаллона определяет возможный диапазон измерения. Так, для конденсационных датчиков размер термобаллона не превышает значения 400 мм. Для расширения предела измерения уровня возможно каскадное расположение двух и более баллонов (рис. 8.1, б), а результат получить путем измерения давлений манометрическими преобразователями 3 и 4 и суммирования блоком 5. Конденсационные датчики пригодны для контроля уровня при постоянной температуре жидкости, в частности для кипящих жидкостей при постоянном давлении.

Большим преимуществом конденсационных манометрических термометров является независимость их показаний от температур капилляра и указателя, если они не ниже, чем температуры чувствительного элемента.

Термокондуктометрические уровнемеры в качестве чувствительных элементов используют терморезистивные преобразователи, либо проводниковые — медные, либо полупроводниковые — термисторы. Такой протяженный преобразователь, помещенный в резервуар с жидкой средой на разных его участках будет иметь разную температуру в соответствии с температурой газовой и t₂ жидкой сред (рис. 8.1, а). Пусть при /= /, начальное сопротивление при h = 0 равно R₀ = г₀Н, где^{-сопротивление} единицы длины терморезистора при его полной длине Н. При уровне жидкости h сопротивление погруженной части изменится и примет значение t₂. При этом полное сопротивление может быть найдено, как R_h = r₀(Hh) + r₀h + a (t₂ — /,)]. Приращение сопротивления AR, имеющее отношение к компенсационным методам ARR₍₎-R_h — r₍₎H — r_{)H — r₍₎h + rji — rjm (t₂ —1_]), после преобразования примет окончательный вид:

Функция преобразования линейна, откуда чувствительность уровнемера может быть найдена, как:

Важно отметить, что чувствительность термокондуктометрического уровнемера определяется значением г₀ (через удельное сопротивления материала терморезистора), значением температурного коэффициента сопротивления, а и, что очень важно, значением разности температур погружной в жидкость части преобразователя и не погружной.

Рассмотрим второй возможный вариант измерения уровня, когда температуры газовой среды t и жидкости t₂ имеют одинаковые или близкие значения.

Для создания необходимых условий получения неоднородного теплового профиля вдоль границы контакта преобразователя с контролируемой средой преобразователь подогревается равномерно по всей его длине до некоторой температуры /₀. Значение t₀ должно быть больше температуры как газовой, так и жидкой сред. В реальных условиях могут использоваться как прямой, так и косвенный подогрев. Прямой подогрев осуществляется за счет тепла, выделяемого при прохождении через терморезистор электрического тока и косвенный — с помощью вспомогательного нагревательного элемента, конструктивно объединенным с чувствительным элементом и питаемым от источником тока.

Помещенный в резервуар нагретый преобразователь вступает в тепловой контакт с контролируемой средой. Вследствие существенного различия коэффициентов теплопроводности жидкостей и газов, участки резистора, находящиеся в соприкосновении с различными фазами, будут иметь различную температуру. Охлаждающее действие жидкости намного больше, чем газа. Для участков преобразователя, контактирующих с газовой и жидкой средами, температура изменится на Д/, и Д/₂ соответственно (рис. 8.2, г). При этом А/, =t₀ — t[ и At₂ =t₀-t'₂, где t[ и t'₂ - вновь установившиеся температуры соответствующих участков преобразователя. По аналогии с (01) приращение сопротивления терморезистора примет вид.

Чувствительность для подогреваемого преобразователя примет вид:

Учитывая, что разность температур участков преобразователя, применяемого без предварительного подогрева и с подогревом соответствует условию (t'₂—t[)"(t'₂—t[), можно говорить о значительных преимуществах активных тепловых преобразователей уровня.

Специальной областью применения термокондуктометрических уровнемеров является криогенная техника, где они используются для измерения уровня сжиженных газов.

Рис. 8.2. Варианты построения параметрических термочувствительных преобразователей с подогревом (а.б, в) и профиль температур (г):

1 — чувствительный элемент (ЧЭ); 2 — источник тока; 3 — нагревательный элемент; 4 — теплопровод 4−5 — шина опроса ЧЭ; 6 — электронный блок

Рис. 8.3. Дифференциальное включение тепловых терморезистивных (а) и манометрических баллонных (б) преобразователей уровня: 1 — основной ЧЭ; 2 — компенсационный ЧЭ; 3 — источник тока; 4 — нагревательный элемент; 5 — дифференциальный манометр.

Рис. 8.4. Структурная схема теплового уровнемера с компенсацией изменения температуры сред: 1 — основной ЧЭ;

2—2 -компенсационные ЧЭ; 3—4—5 — измерительные схемы; б — электронный блок

Для измерения уровня жидкого гелия широко применяются уровнемеры, использующие явление сверхпроводимости. Эффект сверхпроводимости состоит в том, что при температуре металла ниже критической t_K его сопротивление становится нулевым. Поэтому, если температура погруженной части преобразователя будет ниже критической, то сопротивление этой части принимает нулевое значение и общее сопротивление преобразователя будет определяться только уровнем сжиженного газа и сопротивлением его непогруженной в жидкость части. Чувствительные элементы таких преобразователей изготовляют из ниобий-титанового (NbTi) сплава (рис. 8.5, а). Для уменьшения выделяемой на чувствительном элементе тепловой мощности измерительная схема питается импульсным напряжением. Блок управления генерирует измерительный ток, определяет сопротивление зонда, и отображает текущий уровень хладагента. Опрос зонда проводится дискретно с периодичностью 1 и 16 минут или вручную по выбору. При понижении уровня гелия до минимального электронный блок подает световую и звуковую сигнализацию и формирует выходной логический сигнал о состоянии уровня хладагента. Средняя мощность, выделяемая в сосуде с хладагентом для периода опроса 16 минут не превышает значения 0,05 Вт.

Можно отметить появление уровнемеров подобного типа для жидкого азота (рис. 8.5, б)

Рис. 8.5. Гелиевый уровнемер LEVMET LM4−02 непрерывного типа (а) и азотный уровнемер дискретного типа LEVMETNL3−02 (б)

Зонд дискретного уровнемера LEVMET NL3−02 выполнен в виде тонкостенной перфорированной стальной трубки, внутри которой расположена линейка терморезисторов ТВО-О.125 470 Ом. Измерительный ток, проходящий по резисторам, нагревает те из них, которые находятся в парах хладагента, в то время как резисторы, находящиеся в криогенной жидкости не нагреваются. Разница сопротивлений резисторов, находящихся в парах хладагента и в жидком хладагенте, является мерой, по которой определяется уровень хладагента в сосуде.

Дискретный азотный уровнемер LEVMET NL3−02 отображает от 4 до 8 состояний уровня заполнения, которые индицируются светодиодами на передней панели электронного блока.

Зонд подобного азотного уровнемера NL5−04 конструктивно выполнен в виде тонкостенной стальной трубки, внутри которой расположена плата с терморезистивными датчиками, в качестве которых используются медные термометры сопротивления.