Виды уровнемеров. Методы измерения уровня.

Основные понятия метрологии. Погрешность измерений. Классы точности.

Метрология– это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (СТ РК 2.1-2000). Она зародилась в глубокой древности, как только человеку понадобилось измерять массу, длину, время и т.п.

Погрешность (точность) измерительного прибора характеризуется разницей между показаниями прибора и истинным значением измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, его невозможно определить со стопроцентной точностью, на практике в технических измерениях применяют действительное значение физической величины, которое максимально приближено к истинному и фактически заменяет его.

Погрешность (точность) прибора (разница между действительным значением и показаниями прибора) может зависеть от целого ряда факторов, присущих как самому прибору, так и изменениям внешних условий –магнитных и электрических полей, температуры и влажности окружающей среды и т.д.

Средства КИП и А характеризуются двумя видами погрешности:

Основная погрешность характеризует работу прибора в нормальных условиях, оговоренных техническими условиями завода –изготовителя. Основная погрешность является нормальной для прибора.

Дополнительная погрешность возникает в приборе при отклонении одной или нескольких величин от требуемых норм. Например, при неправильной эксплуатации.

Абсолютная погрешность ∆х –разность между показаниями рабочего прибора х и истинным (действительным) значением измеряемой величины х₀. ∆х= х-х₀

В технике наиболее приемлемыми являются относительная и приведенная погрешности.

Относительная погрешность γ_отн–характеризуется отношением абсолютной погрешности ∆х к действительному значению измеряемой величины х₀ в процентах γ_отн=(∆х/х₀)×100%

Приведенная погрешность γ_пр представляет собой отношение абсолютной погрешности к длине шкалы, верхнему пределу измерения х_N γ_отн=(∆х/х_N)×100%

Значение приведённой погрешности, выраженное в процентах, определяет класс точности прибора.

Класс точности прибора – максимально допустимая приведённая погрешность (в процентах) при нормальных условиях эксплуатации. Стандартами установлены следующие классы точности приборов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Класс точности прибора указан на его лицевой части и в паспорте.

Например: для манометра с пределом измерения 0-600кПа и классом точности 1 погрешность измерения составит 6кПа.

В метрологии принято разделять случайную и систематическую погрешности.

Систематическая погрешность возникает из-за несовершенства метода выполнения измерения, погрешности средств измерений, неточного знания математической модели измерения, из-за влияния условий, погрешностей градуировки и поверки средств измерения. Систематическая погрешность характеризуется повторяемостью, так как известна закономерность её появления. Следовательно, можно предвидеть появление этих погрешностей и делать поправки. Такие погрешности делятся на постоянные и временные. К постоянным относятся погрешности приборов, к временным относятся погрешности условий применения этих приборов.

Случайная погрешность изменяется по неопределенному закону, поэтому предвидеть такие погрешности и делать на них поправки невозможно.

 

Случайная погрешность характеризует такое качество, как точность измерений, а систематическая – правильность измерения.

 

Например, при измерениях, проводимых с помощью линейки или рулетки, как правило, преобладает случайная составляющая погрешности, объясняемая следующими основными причинами:

- неточностью (перекосом) установки рулетки (линейки);

- неточностью установки начала отсчёта;

- изменением угла наблюдения;

- усталостью глаз;

- изменением освещения.

Например, измерение размера штангенциркулем при повышенной температуре окружающей среды приведет к погрешности измерения связанного с тепловым расширением металлов. Износ губок штангенциркуля так же приведет к погрешности измерения. Однако такие погрешности в отличие от случайных можно предвидеть и учесть.

Погрешности средств измерений определяют методом сравнения показаний с образцовым прибором повышенного класса точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

По принципу измерения уровнемеры делятся на:

1. Поплавковые- измеряют уровень посредством поплавка плавающего в емкости на поверхности жидкости. Положение поплавка меняется в соответствии с изменением уровня жидкости.

2. Буйковые –погружены в жидкость и измеряют выталкивающую силу жидкости (Архимедову силу) стремящуюся заставить буйковый уровнемер всплыть на поверхность, и чем больше уровень жидкости, тем с большей силой жидкость воздействует на буйковый уровнемер. Соответственно уровень жидкости оценивается по силе выталкивающей этот уровнемер.

3. Электронные уровнемеры (емкостные, индуктивные, сопротивления)-оценивают электрические параметры чувствительного элемента (емкость, индуктивность, сопротивление) которые изменяются в зависимости от уровня жидкости в емкости.

Например: емкостной уровнемер в общем виде можно представить как два электрода, один из которых находится в верхней части емкости, другой в нижней части, или же вторым электродом может являться сама емкость. Эти два электрода образуют конденсатор способный накапливать электрический заряд. Конденсатор характеризуется электрической емкостью. С изменением уровня жидкости изменяется электрическая емкость, которая оценивается электронным блоком уровнемера и преобразуется в стандартный электрический сигнал 4-20мА.

4. Уровнемер давления измеряет давление жидкости. Чем выше уровень жидкости, тем больше давление.

5. Радиоизотопный уровнемер излучает сквозь толщу материала g-излучение, которое измеряется приемником. Чем больше слой (уровень) материала, тем больше частиц излучения в нем поглотится.

6. Радиочастотные (радарные) уровнемеры посылают радиосигнал, который отражается от поверхности материала в бункере или емкости. Сигнал улавливается и оценивается время прохождения этого сигнала. По времени прохождения сигнала измеряется расстояние до поверхности материала.

7. Ультразвуковые уровнемеры похожи по принципу действия на радиочастотные, но используют отраженный ультразвук.

Радиоизотопные, радиочастотные и ультразвуковые уровнемеры могут измерять уровень как жидкостей, так и сыпучих материалов. За счет сложного алгоритма обработки цифрового сигнала их точность может достигать до 1мм.

Средства измерения давления. Принцип действия.Для измерения давления используются единицы: 1атм=1,013bar=1,033кгс/см²=101,3КПа

Средства измерения (СИ) давления подразделяются на:

1. Барометры -приборы для измерения атмосферного давления

2. Манометры –приборы для измерения избыточного давления

3. Вакумметры –приборы для измерения вакуумметрического давления (разряжения)

4. Дифманометры –приборы для измерения разницы давлений (перепада).

Благодаря своей простоте, прочности и простоте обращения, наибольшее распространение получили СИ давления с упругими чувствительными элементами (пружинами, мембранами).

Манометры с трубчатой пружиной (трубкой Бурдона). Трубка Бурдона представляет собой кругообразно изогнутую трубку овального сечения. При повышении давления поданного в трубку, трубка стремиться разогнуться. Разгибаясь трубка воздействует на стрелку прибора посредством стрелочного механизма. Прибор такого устройства малочувствителен к перегрузкам и имеет широкий диапазон измерений. Недостатком такого прибора является сложность промывки трубки Бурдона и связанная с этим сложность применения его для измерения давления загрязненных сред.

 

Манометры с пластинчатой пружиной (мембраной). В них мембрана деформируясь, воздействует на стрелочный механизм. Легкость промывки таких манометров делает их пригодными для измерения давлений загрязненных сред. Кроме того манометры с пластинчатой пружиной менее чувствительны к вибрациям, но имеют меньшую точность по сравнению с манометрами со спиральной пружиной.

Манометры с коробчатой пружиной. Для измерения давления газов наиболее подходят манометры с чувствительным элементом гофрированной коробчатой формы.

Электромеханические манометры.Примером такого манометра может служить прибор типа МЭД. В нем вместо стрелочного механизма чувствительный элемент воздействует на сердечник катушки, втягивая или вытягивая его. При этом изменяется сопротивление унифицированному переменному току, проходящему через катушку. Данные изменения после преобразования могут быть направлены на показывающий или регистрирующий прибор.

Для управления в АСУ ТП применяются СИ давления (датчики давления), действие которых основано на использовании пьезорезистивного эффекта в сенсорном элементе прибора. При деформации чувствительного элемента под действием давления изменяется электрическое сопротивление кремневых пьезорезисторов. Электронное устройство датчика преобразует изменение электрических сопротивлений в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока 4…20 мА. Этот сигнал поступает на вход контроллера, назначение которого собирать значения контролируемых параметров техпроцесса (температура, давление) и передавать их на экран компьютера, для визуализации.

Весоизмерительные приборы, датчики усилия.Действие таких приборов основано на измерении деформации упругих элементов, например пружин. Эта деформация преобразовывается рычажным либо электрическим механизмом для подачи на показывающий, либо регистрирующий прибор.

Другим видом весоизмерительных или датчиков усилия являютсятензометрические датчики. Он представляет собой тонкую проволоку, намотанную на каркас. При воздействии усилия каркас деформируется, проволока удлиняется и меняет свое сопротивление. Измерение усилия сводится к измерению сопротивления.

Пьезорезистивные датчики. Под действием усилия меняется сопротивление кремниевых пьезорезисторов. Это сопротивление преобразуется в стандартный миливольтный сигнал. Такие датчики применяются в конвейерных и бункерных весах.