Буйковые средства измерений уровня

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила - давление» и «сила - ток», В соответствии с видом используемого преобразователя силы различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на рис.17.3. Уровнемер работает следующим образом. Когда уровень жидкости в аппарате равен начальному h0 (в частном случае h0 может быть равен 0), измерительный рычаг 2 находится в равновесии, так как момент М1 создаваемый весом буйка G, уравновешивается моментом М2, создаваемым противовесом N.

Когда уровень жидкости становится больше h0, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается, а следовательно, уменьшается и момент М1, создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М2 становится больше М1, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8. Поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот же сигнал одновременно посылается в сильфон отрицательной обратной связи 5. При действии давления Рвых возникает сила R, момент М3 которой совпадает по направлению с моментом М1, т. е. действие силы R направлено на восстановление равновесия рычага 2. Движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной 0, т. е.

Представляя моменты М1 М2, М3 в виде произведений соответствующих сил и плеч, получим:

     где G – вес буйка при погружении его в жидкость на глубину: h:l₁,l₂,l₃ – плечи действующих сил относительно точки О; R – сила, развиваемая сильфоном 5; N – вес противовеса.

Силы G и R определяем из следующих выражений:

    где d и H_ά – диаметр и длина буйка (последняя определяет диапазон измерений уровнемера); g – плотность материала буйка; ρ_ж – плотность жидкости; h – глубина погружения буйка в жидкость, т.е. текущее значение измеряемого уровня; f_эф – эффективная площадь сильфона 5.

Подставляя выражения для сил G и R в равенство (17.3), получим:

В этом равенстве – вес буйка в воздухе.

Если выбрать произведение Nl2 равным , чего можно достигнуть, изменяя, например, плечоl2, то:

откуда:

      где- коэффициент передачи уровнемера.

Выходной сигнал P_вых уровнемера линейно связан со значением измеряемого уровня h. Выражение представляет собой изменение веса ΔG буйка, поэтому равенство (17.8) можно преобразовать к виду:

где — постоянный коэффициент.

Рис.17.3. Схема буйкового пневматического уровнемера