3.9. Приборы и методы измерения количества и расхода вещества
3.9.1. Общие сведения
Отдельные участки технологического потока современных заводов строительных материалов разделены промежуточными емкостями, предназначенными для хранения полуфабрикатов или готовой продукции. В качестве емкостей применяют баки, резервуары (для хранения воды, смазочных масел, мазута, шлама и т. п.), бункеры и силосы (для хранения порошкообразных материалов - сырьевых смесей, угольного порошка, цемента и т. п.).
Бункеры применяют также для хранения кусковых материалов (гипса, дробленого известняка и т.д.). Для обеспечения бесперебойной работы агрегатов оператор должен располагать информацией о количестве материала в емкостях.
Для получения такой информации применяют различные приборы, измеряющие уровень. По уровню материала в емкости оператор определяет количество материала, находящееся в ней. Все приборы, измеряющие уровень, могут быть разделены на две группы: сигнализаторы уровня и уровнемеры.
Сигнализаторами уровня называются приборы, обеспечивающие получение информации (сигнала) о достижении уровнем каких-либо фиксированных значений, определяемых местом установки их чувствительных элементов (первичных преобразователей).
Уровнемерами называются приборы, обеспечивающие получение непрерывной информации о положении уровня в контролируемой емкости в любой момент времени.
Для контроля за ходом технологического процесса бывает необходимо измерять наряду с другими величинами расход и количество вещества, протекающего через сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества измеряют в единицах массы (кг, г) или объема (м3, дм3).
В соответствии с выбранными единицами производится измерение массового Qм (кг/с, кг/ч, т/ч) или объемного расхода (м3/с, л/с, м3/ч и т.д.). При измерении расхода газов, выраженного в объемных единицах, при его различных физических состояниях для получения сопоставимых данных результаты измерения приводят к нормальным условиям. Такими нормальными условиями принято считать: температуру tH = 20 ºС; давление рН = 101 325 Па (760 мм рт. ст.). В этом случае объемный расход обозначается QH и выражается в объемных единицах.
Прибор, измеряющий количество вещества, протекающего по трубопроводу за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т. д.), называют счетчиком количества или просто счетчиком.
Массу или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяют по разности двух последовательных показаний отсчетного устройства в начале и в конце некоторого промежутка времени.
Прибор, предназначенный для измерения расхода вещества, называют расходомером. Если расходомер имеет интегрирующее устройство со счетчиком и служит одновременно для измерения расхода и количества вещества, его называют расходомером-счетчиком.
3.9.2. Емкостные уровнемеры
Принцип действия емкостного уровнемера основан на зависимости емкости специального конденсатора от уровня жидкости в баке.
Чувствительный элемент емкостного уровнемера (рис. 3.29)
представляет собой цилиндрический (или плоский) конденсатор с внутренним электродом 1, наружным 2 и изоляционным слоем 3. Между изоляционным слоем и наружным электродом находится ой жидкости, уровень которой необходимо измерить. Если уровень жидкости в баке изменяется, то будет меняться и емкость конденсатора вследствие того, что диэлектрические постоянные жидкости и воздуха различны.
Если баки имеют большую высоту, но малые поперечные размеры, то в качестве внешнего электрода можно использовать стенки бака.
Емкостные уровнемеры пригодны для измерения количества непроводящих и проводящих жидкостей. Широкое распространение они получили в топливных системах. Их преимуществами являются отсутствие подвижных частей и меньшая погрешность при кренах.
Изменение сорта топлива приводит к изменению диэлектрической постоянной, что может вызвать методическую погрешность, доходящую до 5 %. Эту погрешность можно учесть по характеристикам топлива.
Методическая температурная погрешность меньше при градуировке в единицах массы, нежели в единицах объема.
Инструментальные погрешности емкостных топливомеров малы, и ими можно пренебречь.
3.9.3. Поплавковый уровнемер
Благодаря простоте своей конструкции поплавковые уровнемеры довольно широко применяются для измерения уровня воды нефтепродуктов и других жидкостей. При небольших диапазонах измерения контролируемых уровней применяют поплавковые up боры рычажного типа (рис. 3.30).
Hbc 3.30 Поплавковый уровнемер рычажного типа.
Принцип действия уровнемера основан на преобразовании перемещения поплавка в изменение электрического сопротивления потенциометра. При изменении уровня жидкости в баке поплавок через коромысло и рычаги перемещает движок по потенциометру
Поскольку баки имеют сложную конфигурацию, то уровень жидкости в них связан с объемом сложной зависимостью и шкала прибора без принятия специальных мер будет неравномерной.
Отечественной промышленностью выпускаются поплавковые дистанционные уравновешенные уровнемеры типа УДУ с диапазоном измерения 0-12, 0-20 м. Погрешность измерения ± 4мм. Выходной сигнал 0-5 мА (0-20 мА).
3.9.4. Ультраакустический топливомер
Ультраакустические методы измерения количества топлива реализуются в двух вариантах.
В первом варианте используется способ отражения ультраакустической волны от границы раздела воздух - жидкость со стороны воздуха. Для реализации метода пьезоэлектрический преобразователь устанавливают в верхней крышке бака (рис. 3.31).
Преобразователь посылает пачку импульсов в пространство над жидкостью. Отраженный от жидкой границы сигнал воспринимается тем же преобразователем 
. Время t распространения сигнала от излучателя до поверхности жидкости и обратно равно:
где α- скорость звука в газовой среде;
h - высота бака;
x - высота уровня жидкости.
Электрические сигналы, подаваемые на пьезоэлектрический преобразователь 1, формируются высокочастотным генератором 2. Поскольку преобразователь 1 работает в режиме излучение - прием, то на него подаются пачки импульсов на короткое время, после чего начинается прием отраженных сигналов. Для формирования пачек импульсов служит генератор 3, одновременно управляющий генератором 2 и схемой измерения 4, в которую входят устройство сравнения, усилитель, преобразователь и элемент обратной связи.
Выходной сигнал, подаваемый на указатель сигнала Ук, формируется путем автоматического слежения за длительностью сигнала t. Так как скорость звука зависит от температуры воздуха, то для возникающих температурных погрешностей при изменении уровня жидкости применяют температурную компенсацию. Показания приборов этого типа не зависят от амплитуды и частоты повторения сигналов, а определяются только длительностью.
Во втором варианте используется способ отражения импульсных сигналов от границы жидкость - воздух со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости x является время t прохождения ультразвука от пьезоэлектрического преобразователя 1 до границы раздела и обратно, т. е.
где α - скорость звука в жидкости.
Паузу между двумя пачками импульсов рекомендуется выбирать из условия
Это выражение справедливо для первого и второго варианте приборов.
Работа схемы прибора по второму варианту аналогична работе первому варианту.
Ультраакустические измерители уровня имеют погрешности, превышающие 2,5%. Акустические приборы могут быть сигнализаторами (ЭХО-2С) и уровнемерами (ЭХО-3).
Сигнализатор уровня акустический типа ЭХО-2С предназначен для передачи сигнала измерительной информации при достижении уровня вещества в емкости какого-либо фиксированного значения. Он применяется для бесконтактного автоматического дистанционного контроля уровня сыпучих и кусковых материалов с размером гранул от 2 до 200 мм. Диапазон измерения от 0 до 30 м. Уровнемер акустический типа ЭХО-3 применяется для бесконтактного автоматического измерения уровня жидких сред, в том числе вязких, налипающих, неоднородных, перемешиваемых, выпадающих в осадок и взрывоопасных. В промышленности строительных материалов он нашел применение для измерения уровня шлама в шлам-бассейнах.
Выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0-5мА, 0-20мА или 4-20 мА. Класс точности уровнемеров 1; 1,5.
