5.6. Электромеханические датчики уровня, давления, расхода и скорости

Датчики уровня.Контроль уровня жидкости осуществляется при помощи поплавковых, гидростатических и электродных датчиков уровня.

Поплавковые датчики состоят из поплавка, воспринимающего изменения уровня жидкости, и элемента, преобразующего перемещения или усилия в выходной электрический сигнал. В качестве преобразователей используются омические или индуктивные датчики. На рисунке показана схема поплавкового датчика уровня с потенциометрическим преобразователем перемещения. Связь пустотелого поплавка 1с потенциометрическим датчиков3осуществляется с помощью гибкого троса2, перекинутого через блок4. Вес поплавка уравновешивается грузом5. Всякое изменение уровня жидкости вызывает пропорциональное ему изменение напряжения вторичного измерительного прибора Я, который проградуирован в единицах уровня. Поплавковые датчики уровня используются для замера уровней, изменяющихся в широких пределах. Недостатком их является наличие подвижных частей.

Рис.5.15 Датчики уровня:

а -поплавковый; б -гидростатический; в -электродный.

Гидростатические датчики реагируют на изменения гидростатического веса жидкости в специальном цилиндрическом сосуде, сообщающемся с резервуаром, уровень жидкости в котором контролируется. Давление жидкости, пропорциональное ее уровню h, вызывает изгиб мембраны1. Величина изгиба мембраны преобразуется устройством, например угольным столбиком2в электрический сигнал, который измеряется прибором П, проградуированным в единицах уровня.

Электродные датчики уровня состоят из одного или нескольких электродов, погруженных в жидкость. При изменении уровня жидкости изменяется активная и емкостная проводимости междуэлектродного пространства. Схема электродного датчика уровня, основанного на измерении активной проводимости жидкости, показана на рисунке.

Измерение уровня сыпучих материалов значительно сложнее, чем измерение уровня жидкостей. Это объясняется тем, что большинство сельскохозяйственных сыпучих материалов обладает значительным электрическим сопротивлением и при заполнении или опорожнении емкостей не образует горизонтальной поверхности. Кроме того, при загрузке возможны повреждения чувствительных элементов датчиков.

Поплавковые датчики для замера уровня сыпучих материалов снабжаются специальными механическими приспособлениями, которые вызывают вибрацию поплавка или периодическое перемещение его вверх и вниз. Под действием вибраций и вертикальных перемещений поплавок всплывает и находится на поверхности сыпуче­го материала.

Для электродного датчика характерны высокая точность измерений, низкая стоимость и простая конструкция, позволяющая дистанционно замерять уровень зерна в небольших объемах.

Датчики давления.К этой группе датчиков относятся многочисленные типы приборов для измерения сил давлений жидкостей и газов. Большинство датчиков давления преобразуют силы давления в механическое перемещение или усилие. Воспринимающие органы таких датчиков подвергаются непосредственному действию измеряемого давления.

Для измерения давлений выше 1000 кг/см2 применяются датчики другого вида, в которых используется явление изменения электрического сопротивления проводников и полупроводников под действием давления. Датчики, контролирующие малые давления газов, реагируют на изменение их вязкости, теплопроводности, сте­пени ионизации и т. п.

В сельскохозяйственной технике наибольшее распространение получили датчики с механическими воспринимающими органами: жидкостные, поршневые, мембранные, сильфонные, с манометрическими трубчатыми пружинами.

Жидкостные датчики давления подразделяются на:

U-образные, колокольные и гидростатические, или дифференциальные.

В U-образной системе разность давленийΔF=F₁–F₂уравновешивается весом столба жидкости:

ΔF= γh,

где γ - удельный вес жидкости.

В колокольной системе избыточное давление ΔF=F₁–F₂вызывает перемещение колокола, по величине которого определяется давлениеF₁.

Вдифференциальной системе угол поворотаαкамеры кольцевых весов пропорционален разности давленийΔF=F₁–F₂.

Рис 5.16 Датчики давления с механическими воспринимающими органами:

а- жидкостный с U- образной системой; б- жидкостный с колокольной системой; в- гидростатический (дифференциальный); г- мембранный; д- сильфонный; е- с манометрической трубкой.

Жидкостные датчики давления являются наиболее точными и стабильными. Однако вследствие эксплуатационных неудобств (малые пределы измерения, необходимость строго вертикального положения, большие габариты и т. п.) они в последнее время вытесняются другими, более совершенными типами датчиков давления.

В поршневых датчиках поршень, находящийся под давлением контролируемой среды, вызывает сжатие специальной калиброванной пружины. Датчики этого типа не находят широкого применения из-за таких существенных недостатков, как наличие зазора между поршнем и цилиндром и возможность застопоривания поршня. Однако благодаря высокой стабильности поршневые датчики применяются для тарировки манометрических систем других типов.

В мембранных датчиках эластичная пластина (мембрана), находясь под давлением контролируемой среды, перемещает шток, жестко связанный с контактной системой. Простота конструкции, надежность, достаточная точность измерений обусловили широкое распространение датчиков этого типа.

Сильфонные датчики представляют собой гофрированные тонкостенные трубки, выполненные из упругого материала. Разность наружного и внутреннего давлений создает силу, под действием которой происходит растяжение или сжатие сильфона. Перемещение свободного конца сильфона передается указательной стрелке и подвижным контактам.

Принцип работы датчика с манометрической трубчатой пружиной заключается в следующем: изогнутая по дуге тонкостенная упругая трубка, имеющая овальное сечение, стремится выпрямиться при увеличении давления контролируемой среды внутри ее. Перемещение свободного конца трубки приводит в действие указательную стрелку, связанную с контактной системой.

Датчики расхода.Одним из наиболее распространенных методов измерения расхода непрерывно текущих жидкостей и газов является метод измерения по перепаду давления в дроссельных устройствах (рис. 5.17). В качестве дроссельных устройств применяются диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

На рисунке показана схема датчика расхода жидкости с дросселем-диафрагмой. В трубопровод вставляется диафрагма 2. По обе стороны диафрагмы находятся две импульсные трубки. СопротивлениеRв одной из них шунтируется жидкостью, обеспечивая тем самым пропорциональность между перепадом давления и током во вторичном приборе3:

Рис 5.17 Датчики расхода:

Соотношение между перепадом ΔРи расходомQопределяется следующим уравнением:

м³/сек

где S_o— сечение отверстия диафрагмы, м²;

γ — удельный вес среды, кг/м³;

α_р— коэффициент расхода, величина которого зависит от геометрической формы сужающего устройства и от числа Рейнольдса;

α — коэффициент пропорциональности;

g— ускорение свободного падения, м/сек².

На рисунке приведены схемы скоростных датчиков расхода. Они применяются как счетчики расхода воды, жидкого топлива, газа и других веществ.

В скоростном датчике расхода с вертикальной крыльчаткой жидкость, протекающая через датчик, приводит во вращение вертушку 2, число оборотов которой пропорционально скорости потока:

об/сек,

где а — коэффициент пропорциональности;

V— скорость жидкости, м/сек;

Q— расход жидкости, м3/сек;

S— рабочее сечение датчика, м2.

Датчики со спиральной вертушкой 2используются для учета значительных расходов жидкости. В отличие от других типов датчиков расхода они могут работать и в наклонных участках трубопроводов. Число оборотов спиральной вертушки пропорционально расходуQи обратно пропорционально шагу лопастиΔl:

об/сек.

Обороты датчиков измеряются прибором 3, проградуированным в единицах расхода.

Конструктивное исполнение вышеописанных и ряда других датчиков неэлектрических величин и их харак­теристики приводятся в специальной литературе.