Измерение температуры. Из книги Вильяма Болтона Instrumentation And Control System

Рассмотрим методы измерения температуры, их основные особенности и характеристики. Ниже приведен любительский перевод параграфа 2.7 из книги Вильяма Болтона 2015 года издания.

Свойства, которые меняются при изменении температуры и используются в приборах измерения температуры:

  • расширение или сжатие твердых тел, жидкостей и газов
  • изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников
  • термоэлектрическая ЭДС
  • изменение тока на стыке полупроводниковых диодов и транзисторов

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых датчиков температуры.

Биметаллические пластины

Биметаллическая пластина состоит из двух полос из разных металлов одинаковой длины, соединенных вместе (рис. 2.42). Поскольку металлы имеют разные коэффициенты расширения, когда температура меняется, биметаллическая пластина изгибается. Величина изгиба пластины зависит от используемых металлов, длины пластины и изменения температуры.

Если один конец биметаллической пластины закреплен, то величина перемещения свободного конца является мерой температуры. Это перемещение может использоваться для коммутации электрических цепей, как в простом термостате, который используется в системах внутреннего отопления или для вращения стрелки, как в биметаллических термометрах.

Устройства с биметаллической пластиной надежны, дешевы, имеют погрешность порядка 1% и относительно большую инерционность.

Стеклянные термометры

Стеклянный термометр состоит из резервуара наполненного жидкостью и капиллярной трубки. Высота, на которую распространяется жидкость в капилляре, является мерой температуры. Диапазоны измерения зависят от термометрической жидкости и могут составлять:

  • ртуть от -35 °С до +600 °С
  • спирт от -80 °С до +70 °С
  • пентан от -200 °С до +30 °С

Стеклянные термометры дешевые. Их используют для визуального наблюдения изменения температуры, являются хрупкими, но долговечными (из-за отсутствия механически изнашиваемых частей), при необходимости, могут изготавливаться термометры высокой точности, медленно реагируют на температурные изменения.

Термометры сопротивления (RTD)

Сопротивление большинства металлов линейно возрастает с температурой  и может быть представлено уравнением:

Rt=R0(1+αt), где Rt — сопротивление при температуре t °; R0 — сопротивление при 0 °C; α — константа для металла, называется температурный коэффициент сопротивления.

Датчики температуры сопротивления (RTD) являются простыми резистивными элементами в виде катушек из металлической проволоки, например платины, никеля или медных сплавов.

Платиновые детекторы имеют высокую линейность выходной характеристики, высокую стабильность, погрешность менее +-0,5%, диапазон от -200 до +850 °C, используются в широком диапазоне сред без ухудшения характеристик. Платиновые чувствительные элементы дороже, чем сенсоры из других металлов, однако, очень широко используются.

Никель и медные сплавы дешевле, но имеют меньшую стабильность, более склонны к взаимодействию с окружающей средой и не могут использоваться в таких больших температурных диапазонах.

В продаже доступны платиновые термометры сопротивления со следующими характеристиками:

  • Диапазон от -200 ° C до +800 ° C
  • Точность +-0.01 ° C
  • Чувствительность 0,4 Ом / °C для 100 Ом

Познавательная статья касательно сенсоров термосопротивления здесь.

Термисторы

Термисторы представляют собой полупроводниковые датчики температуры, изготовленные из смесей оксидов металлов, таких как хром, кобальт, железо, марганец и никель. Сопротивление термисторов уменьшается очень нелинейно с увеличением температуры, что иллюстрирует выходная характеристика.

Изменение сопротивления на градус по температуре значительно больше, чем в резистивных датчиках температуры. Например, термистор может иметь сопротивление 29 кОм при -20 °С, 9,8 кОм, при 0 °С, 3,75 кОм при 20 °С, 1,6 кОм при 40 °С и 0,75 кОм при 60 °С. Чувствительный элемент формируется в различные формы элемента, такие как бусины, диски и стержни (рис. 2.45). Термисторы прочные и могут быть очень маленькими, поэтому можно контролировать температуру в конкретной точке. Из-за их небольшого размера они имеют небольшую теплоемкость и поэтому очень быстро реагируют на изменения температуры. Температурный диапазон зависит от соответствующего термистора, варьируется в пределах от -100 до +300 °C. Изменение на 1 °С приводит к значительному изменению сопротивления, следовательно, калибровка термисторов возможна в небольшом диапазоне, чтобы обеспечить точность порядка 0,1 °С или выше. Однако их характеристики, как правило, дрейфуют со временем.

Основным недостатком термисторов является их нелинейность. Термисторы обычно используются для контроля температуры охлаждающей жидкости, температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в автомобилях.

Ниже приведена спецификация для температурного датчика термистора:

  • Точность +-5%
  • Максимальная мощность 250 мВт
  • Коэффициент рассеяния 7 мВт / ° C
  • Время отклика 1,2 с
  • Термическая постоянная времени 11 с
  • Диапазон температур от -40 °C до +125 °C

Термопары

Когда два разных металла соединены вместе, разность потенциалов происходит через соединение. Разность потенциалов зависит от типа используемых металлов и температуры соединения. Термопара включает в себя два таких соединения, как показано на рисунке ниже (1)

Если температура контактов одинакова, то разность потенциалов компенсируют друг друга, и ЭДС отсутствует. При различной температуре между двумя спаями, появляется ЭДС. Значение этого ЭДС E зависит от двух рассматриваемых металлов и температуры t обоих переходов. Если температура одного спая 0 °C, то справедливо следующее соотношение:

E=at+bt2, где a и b константы для рассматриваемых металлов.
Рисунок выше (2) показывает, как ЭДС варьируется в зависимости от температуры для ряда часто используемых пар металлов. Таблицы со значениями ЭДС при разных температурах, доступны для стандартных металлов, используемых для термопар. Основные типы термопар перечислены в таблице 2.1 с диапазонами температур, при которой они обычно используются и их чувствительностью. Эти термопары обозначаются справочными буквами. Термопары из базового металла, E, J, K и T, относительно дешевы и недолговечны. Они имеют погрешность от +-1 до 3%. Термопары из благородных металлов, например R, дороже, но более стабильны с более длительным сроком службы. Они имеют погрешность порядка +-1% и меньше. Термопары обычно устанавливаются в оболочку, чтобы обеспечить им механическую и химическую защиту. Инерционность термопары маленькая, но с оболочкой она может увеличиваться до нескольких секунд, если используется большая оболочка.

Материал Диапазон измерения, °C Чувствительность, мВ/°C
E хромель-константан 0..980 63
J железо – константан -180..760 53
K хромель-алюмель -180..1260 41
R платина-платинородий 0..1750 8
T медь-константан -180..370 43

Термопара может использоваться с эталонным соединением при температуре, отличной от 0 °C. Однако в стандартных таблицах предполагается, что соединение находится около 0 °C, поэтому в таблицы необходимо внести корректировки. Коррекция осуществляется с использованием так называемого закона промежуточных температур, а именно:

Et,0=Et,I+EI,0

ЭДС Et,0 при температуре t, когда холодный спай 0 °C равен ЭДС Et,I при промежуточной температуре I плюс ЭДС EI,0 при температуре I, когда холодный спад составляет 0 °C. Рассмотрим термопару типа E. Ниже приведены данные из стандартных таблиц.

Темп., °C 0 20 200
ЭДС, мВ 0 1.192 13.419

Таким образом, используя закон промежуточных температур, термоэлектрический ЭДС при 200°C с холодным соединением при 20 ° C:
E200,20=E200,0-E20,0=13.419-1.192=12.227 мВ

Обратите внимание, что это не ЭДС заданные таблицами для температуры 180 °С с холодным спаем при 0 °С, а именно 11,949 мВ.

Чтобы поддерживать одно соединение термопары при 0 °С, его необходимо погружать в ледяную воду. Это неудобно, поэтому используется схема компенсации (рис. 2.48) для обеспечения ЭДС, которая изменяется с температурой «холодного» спая таким образом, что когда она добавляется к ЭДС термопары, генерируется объединенный ЭДС, равный ЭДС которая бы образовалась при температуре холодного спая 0 °C (см. раздел 2.9.3), например Analog Devices AD594 (см. рисунок). Данная схема, при использовании термопары железо-константан и напряжением питания +5 В дает выход 10мВ/°С.

Когда термопара подключена к измерительной цепи, в ней задействованы и другие металлы (см. рисунок ниже). Таким образом, мы можем иметь в качестве «горячего» спая соединение между металлами А и В, а «холодный» спай эффективно расширяется за счет введения медных проводов и измерительного прибора. Так как соединения холодного спая с промежуточными материалами находятся при одинаковой температуре, нет дополнительных ЭДС и мы имеем разность потенциалов между металлами А и В.

Термодиоды и термотранзисторы

При изменении температуры полупроводников меняется скорость движения носителей заряда. В результате возникает падение напряжения на p-n-переходе, ток через переход является функцией температуры. Полупроводники, используемые в качестве датчиков температуры, поставляются вместе со схемой обработки сигналов в виде интегральных схем, например LM3911, выходное напряжение которой пропорционально температуре. Аналогичным образом, транзисторы могут использоваться в качестве датчиков температуры. Датчик температуры на основе транзисторов используют интегральную схему LM35. Выходной сигнал этой схемы является линейной функцией температуры, 10 мВ/°C при напряжении питания 5 В. Спецификация для LM35 следующая: Точность при 25 °C ±0,4%; нелинейность 0,2 °C; чувствительность 10 мВ/°С.

Пирометры

Для измерения температуры используются методы, которые связаны с тепловым излучением объекта, включают:

Оптический пирометр

Оптические пирометры основаны на методе сравнении яркости света, которое излучает нагретое тело, со светом известного стандарта.

Радиационный пирометр

Метод, на котором основан принцип действия радиационных пирометров, заключается в измерении общего (суммарного теплового и светового) количества излучения тела, с помощью термосопротивления или термопар.
Оптический пирометр, известный как пирометр с исчезающей нитью, использует только видимую часть спектра, излучаемого горячим объектом. Излучение фокусируется на нить, так что излучение и нить можно рассматривать в фокусе через окуляр. Нить накаляется электрическим током до тех пор, пока она не окажется одинакового цвета с горячим объектом, и изображение нити не исчезнет на фоне горячего объекта. Ток накала является мерой температуры. Красный фильтр между окуляром и нитью обычно используется для упрощения согласования цветов нити и горячего объекта. Еще один красный светофильтр может быть введен между горячим объектом и нитью, что делает объект менее жарким и таким образом расширяет диапазон прибора.


Пирометр с исчезающей нитью имеет диапазон измерения от 600 до 3000 ° С, с погрешностью около +-0,5%, при этом не требуется физический контакт с горячим объектом. Таким образом, он может использоваться для движущихся или удаленных объектов.
Пирометр полного излучения принимает излучение от горячего объекта и фокусирует его на детекторе излучения. На рисунке ниже показана обобщенная конструкция прибора, использующего зеркало для фокусировки излучения на детектор. Иногда используется линза для фокусировки излучения. Детектор (первичный пирометрический преобразователь (ГОСТ 28243-96) обычно представляет собой термоэлемент, состоящий из 20 или 30 термопар, термосопротивлений или термисторов. Детектор называется broad band (аналогичное название на русском я не нашел, дословно «широкой полосой»), поскольку он обнаруживает излучение в широком диапазоне частот, следовательно выходной сигнал представляет собой суммарную мощность излучения длин волн различной частоты. Мощность пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана-Больцмана). Точность широкодиапазонных пирометров полного излучения составляет около +-0,5%, а диапазон измерения от 0 °С до 3000 °С. Постоянная времени (мера того, насколько быстро система реагирует на изменение температуры и время, затрачиваемое на достижение около 63% конечного значения) пирометра изменяется от 0.1 с, когда детектором является только одна термопара или небольшой термистор, до нескольких секунд, с применением термобатареи из нескольких термопар.

Some instruments use a rotating mechanical chopper to chop the radiation before it impinges on the detector. The aim is to obtain an alternating output from the detector, since amplification is easier with an alternating voltage. It is thus of particular benefit when the level of radiation is low. However, choppers can only be used with detectors which have a very small time constant and thus tend to be mainly used with small bead thermistor detectors.
Последняя часть параграфа мне не совсем понятна и информации по данной конструкции пирометра я не нашел, поэтому без перевода. Здесь говорится об использовании перфорированного диска для переменной подачи излучения на детектор. Это позволяет получить переменной напряжение на выходе, что в свою очередь облегчает усиление сигнала при низком уровне теплового излучения.

 

Измерение расхода. Из книги Вильяма Болтона Instrumentation And Control System

Жидкость, протекающая через трубу с поперечным сечением A1 со скоростью υ1 (рисунок А), за 1 с продвигается на расстояние υ1, и поэтому объем жидкости, проходящей через определенную точку в секунду, равен A1υ1. Если жидкость течет через сужение, где площадь поперечного сечения трубы A2, то выполняется равенство A2υ2=A1υ1, т.е. скорость потока жидкости увеличивается. Увеличение скорости происходит из-за ускорения, следовательно, требуется сила для перемещения жидкости через сужение. Эта сила обеспечивается перепадом давления в сужении.


Традиционные методы, используемые для измерения расхода жидкости, включают устройства, основанные на измерении разности давлений, возникающих при изменении проходного сечения, и использования его в качестве меры расхода. Связь между перепадом давления и объемом потока является нелинейной, то есть скорость потока не прямо пропорциональна разнице давлений, а квадратному корню от разности давлений. Распространенными примерами являются труба Вентури и диафрагма (сужающее устройство), описанные ниже.
Однако были разработаны другие методы, которые быстрее и эффективнее измеряют расход с меньшим вмешательством в поток.

Расходомеры постоянного и переменного перепада давления

Существует несколько видов расходомеров переменного перепада давления, основанных на приведенной выше формуле и имеющих сужение с постоянным размером сечения. Например труба Вентури, расходомерные сопла, трубка Далла и диафрагмы. Кроме того, существуют другие расходомеры, имеющие переменную площадь сечения (постоянный перепад давления), например ротаметр. Далее приведены характеристики вышеуказанных устройств.
Труба Вентури (рис. Б (1) представляет собой плавное сужение трубы от номинального диаметра до сжатого диаметра. Труба Вентури приводит к потере давления в системе приблизительно на 10-15%. Разность давлений до сужения и после может быть измерена простым U-образным манометром или дифференциальным манометром. Расходомеры с трубами Вентури могут использоваться с однофазными жидкостями, просты в эксплуатации, имеют погрешность до ±0,5%, долговечны и надежны, но сравнительно дороги и имеет нелинейную зависимость между давлением и скоростью потока.


Более дешевым вариантом трубы Вентури является сопло (рисунок Б). Используются два вида сопла: сопло Вентури и расходомерное сопло. Сопло Вентури (рис. Б (2)) представляет собой трубку Вентури с впускным отверстием, которое значительно укорочено. Расходомерное сопло (рис. Б (3)) еще короче. Сопла создают потерю давления порядка 40-60%. Сопла дешевле, чем трубки Вентури, дают аналогичный перепад давления и погрешность около ±0,5%. Также имеют нелинейную зависимость между давлением и скоростью потока.


Труба Далла (рис. В (1) представляет собой еще одну вариацию трубы Вентури. Она дает более высокий перепад давления и низкую потерю давления. Труба Далла имеет длину около двух диаметров трубы и часто используется там, где пространство не позволяет использовать трубу Вентури. Расходомерная диафрагма (рис. В (2) представляет собой просто диск с отверстием. Цель диафрагмы в том, чтобы сужение потока началось до диафрагмы и на некотором расстоянии после диафрагмы поток достиг минимального сечения. Самый узкий участок потока не через отверстие, а ниже по потоку называется vena contracta (то место в проточной части, где площадь сечения минимальна, а скорость потока максимальна). Отбор давления происходит в точке до диафрагмы на расстоянии один диаметр трубы и после сужающего устройства — на расстоянии 1/2 диаметра трубы. Диафрагма имеет нелинейную зависимость между разностью давлений и скоростью потока. Она проста и дешева, надежна, дает больший перепад давлений, чем труба Вентури, но менее точная — погрешность ±1,5%. Диафрагма также приводит к большой потере давления. Если в жидкости не однородна, возникают проблемы налета и засорения.
Ротаметр (рис. Г) является примером расходомера с переменной площадью проходного сечения; постоянный перепад давления поддерживается между основным потоком и потоком после сужения за счет изменения зазора через которым проходит жидкость. Ротаметр состоит из поплавка помещенного в коническую вертикальную трубку, поток жидкости толкает поплавок вверх. Жидкость перемещается через зазор между поплавком и стенкой трубки, в котором образуется перепад давления. Поскольку зазор между поплавком и стенкой трубки увеличивается по мере перемещения поплавка вверх, то перепад давления уменьшается. Поплавок перемещается вверх по трубке до тех пор, пока перепад давления в жидкости не уравновесит его вес. Чем больше расход, тем больше разность давлений для конкретного зазора, следовательно поплавок переместится выше по трубке. Таким образом, шкалу вдоль трубки можно откалибровать, чтобы непосредственно считывать расход, соответствующий определенной высоте поплавка. Ротаметр дешевый, надежный, имеет погрешность около ±1% и может использоваться для измерения расхода от 30×10-6 м³/с до 1 м³/с.


Трубка Пито может быть использована для непосредственного измерения скорости потока жидкости, а не объемного расхода и состоит в из маленькой трубки, установленной в жидкость, с отверстием, направленным навстречу потоку (рис. Д). Разность давлений измеряется между давлением жидкости в трубке и в трубопроводе. Разница между статическим и полным давлением обусловлена кинетической энергией потока жидкости, которая преобразуется в потенциальную энергию, что проявляется как увеличение давления. Поскольку кинетическая энергия равна ½mυ², то скорость пропорциональна квадратному корню из разности давлений.

Турбинные расходомеры

Турбинный расходомер (рис. Е) состоит из многолопастной крыльчатки, расположенной аксиально в трубе, вдоль которой протекает поток. Крыльчатка вращается от энергии измеряемого потока, причем угловая скорость приблизительно пропорциональна скорости потока. Скорость вращения ротора можно определить, присоединив небольшой постоянный магнит к одной из лопастей и используя измерительную катушку. Наведенные импульсы ЭДС создаются в катушке каждый раз когда магнит проходит ее. Импульсы подсчитываются и поэтому можно определить число оборотов ротора. Турбинный расходомер дорогостоящий, имеет погрешность около ±0,1%. Также в качестве преобразовательного элемента используют ротор винтовой формы, которые вращаются в потоке жидкости.

Ультразвуковые расходомеры

На рисунке Ж показано, как ультразвуковые волны могут быть использованы для определения скорости потока жидкости. Используются два метода ультразвуковых приемопередатчиков, либо два приемопередатчика, один из которых на одной стороне трубы, через которую протекает жидкость, а другой с противоположной, либо передатчик и приемник на одной стороне трубы, а отражатель на другом. В любом случае один луч ультразвуковых волн, движущихся в направлении потока и один луч против направления потока. Ультразвуковой расходомер может либо измерять среднюю скорость жидкости путем усреднения разницы при измерении времени прохождения сигнала между импульсами ультразвука, проходящими через трубу в направлении потока и против направления потока или путем измерения частоты отраженного сигнала с использованием эффекта Допплера в жидкостях содержащих частицы, которые отражают ультразвуковую волну, например суспензий и жидкостей с пузырьками газа. Ультразвуковой метод измерения может применяться для труб диаметром от 75мм до 1500мм со скоростью жидкости от 0,2м/с до 12м/с и погрешностью около ±1% или выше.


Ультразвуковой расходомер OMEGA Doppler FD-400, представленный на рисунке Ж(2), имеет следующие характеристики:
Неинтрузивный, накладной преобразователь для труб от 6мм до 3000мм
Диапазон скорости потока от 0,05 до 9 м/с
Точность ±2% FS по откалиброванному диапазону
Дисплей монитора: 2-строчный 8-символьный ЖК-дисплей

Вихревые расходомеры

Когда поток жидкости встречает неподвижное тело, слои жидкости, расположенные близко к поверхностям тела, замедляются. С обтекаемым телом эти пограничные слои следуют контурам тела до тех пор, пока они не встретятся в задней части объекта. Это приводит к очень небольшому возбуждению. С не обтекаемым телом, так называемым плохообтекаемым телом (Bluff body), пограничные слои отделяются от тела намного раньше и образуется большой след. Когда пограничный слой жидкости покидает поверхность тела, он сворачивается в вихри. Они образуются попеременно с верхней и нижней поверхностей тела (рис. З). Результатом является два параллельных ряда вихрей, движущихся по течению, причем расстояние между последовательными вихрями в каждом ряду одинаково, вихрь в одном ряду образуется на половине пути между вихрями в другом ряду. Для конкретного плохообтекаемого тела количество вихрей, создаваемых за секунду f, т.е. частота, пропорциональна скорости потока. Для измерения частоты используется несколько методов. Например, термистор может располагаться за плохообтекаемым телом (рис.З(2) (i)). Термистор нагревается в результате проходящего через него тока и способен улавливать вихри которые охлаждают его. Другой метод использует пьезоэлектрический кристалл, установленный в корпусе плохообтекаемого тела (рис.З(2) (ii)). Гибкие диафрагмы реагируют на возмущения, создаваемые вихрями и фиксируются пьезоэлементом.
Вихревые расходомеры используются как для жидкостей, так и для газов, результаты измерения не зависят от плотности, температуры или давления и имеют погрешность примерно ±1%. Они используются при давлениях до 10 МПа и температурах до 200 °С.
Другая форма расходомера использует измерительный блок MEMS. MEMS — это микроэлектромеханические системы и очень маленькие устройства. Они обычно состоят из центрального блока, который обрабатывает данные (микропроцессор) и нескольких компонентов, которые взаимодействуют с окружающей средой, таким как микродатчики. Расходомер OMRON D6F MEMS представляет собой 1,5 мм² чип толщиной 0,4 мм и имеет две термопары по обе стороны крошечного нагревательного элемента. Когда газ течет мимо датчика, между двумя термопарами появляется разность температур, в результате возникает разность потенциалов между ними, которая связана с расходом.

Кориолисовые расходомеры

Если фигурист вращается с вытянутыми руками, а затем притянет их к себе, он будет вращается быстрее. В результате мы можем думать о том, что на тело фигуриста действует крутящий момент, приводящий к увеличению угловой скорости. Этот крутящий момент возникает из тангенциальной силы, называемой силой Кориолиса. Когда мы перемещаем объект во вращающейся системе, его сносит вбок. Для тела массой M, движущегося с постоянной линейной радиальной скоростью v и подверженного угловой скорости ω, сила Кориолиса равна 2Mωv.

Кориолисовый расходомер состоит из С-образной трубки (рис. И) через которую протекает измеряемая среда. Трубе, через которую проходит поток, задается угловое ускорение путем вибрации, создаваемой электромагнитом, установленного на конце настраиваемой вилочной пружины. Вибрации пружины приводят C-образную трубку в колебание. Результатом является угловая скорость, которая чередуется в направлении. Одновременно сила Кориолиса, действующая на поток среды, в первой половине трубки направлена в одну сторону, а во второй половине — в противоположном направлении, так как скорость измеряемой среды направлена противоположно в верхней и нижней частях трубки. В результате сила Кориолиса действующая на поток в двух концах находится в противоположных направлениях и приводят к скручиванию С-образной трубки. Когда направление угловой скорости меняется на противоположное, то силы действуют в обратном в направлении и трубка скручивается в другую сторону. Эти скручивания пропорциональны массовому расходу вещества через трубку. Перемещения контролируются с помощью оптических датчиков, их выходной сигнал представляет собой импульс с шириной пропорциональной массовому расходу. Расходомер может использоваться для жидкостей или газов и имеет точность ±0,5%. На него не влияют изменения температуры или давления.

Измерение уровня. Из книги Вильяма Болтона Instrumentation And Control System

Для измерения уровня жидкости в резервуаре, используют методы основанные на:

  1. Поплавковый метод, когда положение поплавка напрямую связано с уровнем измеряемой жидкости.
  2. Принцип выталкивающей силы Архимеда, которая действует на объект, частично погруженный в жидкость; используется термин «displacer» (буйковый).
  3. Измерение давления в любой точке жидкости (гидростатический метод), давление столба жидкости с высотой h равно hρg, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести.
  4. Измерение веса сосуда, содержащего жидкость, плюс вес жидкости. Масса жидкости равна Ahρg  где A — площадь поперечного сечения сосуда, h — высота жидкости, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения. Следовательно, изменение высоты жидкости пропорционально изменению веса.
  5. Изменение электропроводности (сопротивления), когда жидкость поднимается между двумя электродами.
  6. Изменение емкости, когда жидкость поднимается между электродами конденсатора.
  7. Ультразвуковые и радиационные методы.

Ниже рассмотрим примеры вышеуказанных методов, используемых для измерения уровня жидкости.

Поплавковые уровнемеры

На рисунке показана простая схема поплавкового уровнемера. Поплавок прикреплен к одному концу поворотного рычага, а другой конец соединен с ползунком потенциометра. Поплавок перемещается вместе с уровнем измеряемой среды, что приводит к изменению сопротивления потенциометра которое связано с уровнем жидкости. Недостаток поплавковых уровнемеров заключается в том, что существует проблема отложений (налета), которые покрывают поплавок и изменяют уровень, на котором он плавает.

Буйковые уровнемеры

Когда объект частично или полностью погружен в жидкость, на него действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной объектом. Это свойство известно как закон Архимеда. Таким образом, чем больше предмет погружен в жидкость, тем сильнее выталкивающая сила. Результирующая сила, действующая на такой предмет, равна его весу минус выталкивающая сила, т.е. зависит от глубины погружения объекта. Для вертикального цилиндра площадью поперечного сечения A погруженного в жидкость с плотностью ρ на высоту h, выталкивающая сила равна hAρg (где g — ускорение свободного падения) и поэтому вес цилиндра равен mg-hAπg (где m — масса цилиндра). Для определения уровня в конкретной жидкости необходима калибровка буйковых уровнемеров, так как выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. На рисунке выше приведена упрощенная схема буйкового уровнемера. A problem with displacers is that there is the problem of fluids coating the floats and apparently changing the buoyancy. Затрудняюсь перевести последнее предложение абзаца, насколько понимаю речь идет о недостатках буйковых уровнемеров и что они связаны со свойствами жидкости в которую погружены и которые могут изменить плавучесть буйка (например плотность и адгезия).

Гидростатические уровнемеры

Давление жидкости высотой столба h составляет hρg (где ρ — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести). Когда давление в резервуаре равно атмосферному, разность давлений может быть измерена между точкой вблизи дна резервуара и атмосферой. Результат пропорционален высоте жидкости над точкой измерения давления (см. рисунок А). В замкнутом резервуаре должна измеряться разность давлений между точкой вблизи дна бака и над поверхностью жидкости (см. рисунок Б). Измерительные приборы, используемые для таких измерений, представляют собой дифференциальные манометры и датчики перепада давления.

Весовые уровнемеры

Вес резервуара с жидкостью может использоваться как мера уровня жидкости. Весоизмерительные методы используются в весовых уровнемерах. Один их видов весоизмерительного прибора состоит из цилиндра с тензодатчиками (рис. 2.37), который является опорой для резервуара с жидкостью. Вес резервуара меняется при изменении уровня жидкости, в результате нагрузка на тензодатчик варьируется и меняется сопротивление тензодатчиков. Таким образом сопротивление тензодатчиков является мерой уровня жидкости. Поскольку весоизмерительные приборы полностью изолированы от жидкости, этот метод применим для агрессивных жидкостей.
Технические характеристики весоизмерительных тензодатчиков однотипны, например для Omega LCM304, который представляет собой небольшую ячейку диаметром 25 мм, доступны ряд диапазонов: от 0 до 500 Н, от 0 до 200 Н, от 0 до 5000 Н, от 0 до 10 000 Н, от 0 до 20 000 Н, от 0 до 50 000 Н. Точность составляет ±0,5% от всего диапазона измерения, линейность выходной характеристики, малая инерционность, стабильность показаний.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Кондуктометрический метод используется в сигнализаторах уровня для электропроводящих жидкостей. Для примера рассмотрим один из типов, который состоит из двух зондов. Один зонд установлен в жидкости, а другой — горизонтально на требуемом уровне или вертикально, нижний конец которого находится на заданном уровне (рисунок В). Когда жидкость не достигает требуемого уровня, сопротивление между двумя зондами велико, так как замыканию электродов препятствует воздух. При достижении заданного уровня жидкость замыкает цепь между электродами и сопротивление цепи падает. Вспенивание, разбрызгивание и волнение жидкости могут повлиять на точность контроля уровня.
Интегральная схема LM1830N может использоваться для обработки сигналов от кондуктивных измерительных зондов, выходной сигнал можно использовать для активации звуковой или световой сигнализации. Схема сравнивает сопротивление жидкости с внутренним сопротивлением интегральной схемы.

Емкостные уровнемеры

Обычная форма емкостного уровнемера состоит из двух электродов или круглого электрода внутри цилиндра, которые образуют пластины конденсатора с жидкостью между ними, которая выполняет роль диэлектрика (рисунок Г). Если жидкость представляет собой диэлектрик, то пластины конденсатора представляют собой голый металл, если жидкость проводит электричество, то металл покрывается изолятором, например тефлон. По существу устройство состоит из двух параллельных конденсаторов, один из которых образован между пластинами погруженными в жидкость, а другой из пластин находящихся в воздухе над жидкостью. Изменение уровня жидкости изменяет общую емкость устройства. Погрешность может возникать в результате изменения температуры, поскольку это влияет на емкость без какого-либо изменения уровня. Также появляется погрешность, если при понижении уровня жидкости электроды остаются покрыты жидкостью. Емкостные уровнемеры могут использоваться в агрессивных жидкостях и иметь достаточную точность при выборе подходящего материала электродов.

Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковой уровнемер состоит из приемника и передатчика ультразвука в одном корпусе и устанавливается над поверхностью жидкости(рисунок Д). Преобразователь посылает ультразвуковые импульсы, которые перемещаются вниз к поверхности жидкости и затем отражаются обратно в приемник. Время от передачи до приема сигнала пропорционально уровню продукта в емкости. Поскольку ультразвуковой уровнемер устанавливается вне измеряемой среды, он широко применяется для агрессивных жидкостей. Погрешность возникает при изменении температуры, поскольку она влияет на скорость звуковой волны 9обычно составляют около 0,18% на 1С).

Радиоизотопные уровнемеры

В радиоизотопных уровнемерах используется гамма-излучение радиоактивного источника, обычно кобальта-60, цезия-137 или радия-226. Приемник радиации размещается на одной стороне резервуара, а источник — на другом. Величина излучения зависит от количества жидкости между источником и детектором и может быть использована для определения уровня жидкости. На рисунке Е показаны два вида устройства. С компактным источником и высоким приемником можно отслеживать изменение уровня по всей длине детектора. Компактный источник и малогабаритный детектор используются, когда необходимо измерения в небольшом диапазоне уровней. Такие методы могут быть использованы для измерения уровня различных жидкостей, суспензий и твердых веществ. Так как приборы не помещаются в измеряемую среду, радиоизотопные уровнемеры применяют для агрессивных и высокотемпературных жидкостей.