VDI VDE 3519 Blatt 4-2012 Level measurement - Displacer methods.pdf

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1、ICS 17.060, 23.020.10 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2012 December 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Fllstandmesstechnik Verdrngerverfahren Level measurement Displacer methods VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 Ausg. deutsch/englisch Issue German/Eng

2、lish Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Prozessmesstechnik und Struk

3、turanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11.Entwurf,deutsch;VDI/VDE3519Blatt1:2002-10Zu beziehen durch / Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAl

4、le Rechte vorbehalten / AllrightsreservedVerein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Formereditions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE3519Part1:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen . 3 5 Verdrnge

5、rverfahren 4 5.1 Messprinzip 4 5.2 Einsatzbereich 4 5.3 Messverfahren 4 5.4 Messanordnungen 5 5.5 Messunsicherheiten 8 5.6 Berechnungsbeispiele. 8 Schrifttum 14 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols . 3 5 Displacer methods 4 5.

6、1 Measurement principle 4 5.2 Application 4 5.3 Measurement method . 4 5.4 Measurement arrangements . 5 5.5 Measurement uncertainties 8 5.6 Calculation examples . 8 Bibliography 14 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollecti

7、on - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, de

8、r Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind,

9、 mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including tho

10、se of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.v

11、di-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fachaus-schuss Fllstandmesstechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllst

12、andmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterungen zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeignete Anwendung der Ver-fahren angegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Grundlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwim

13、merverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wgeverfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8 Widerstandsverfahren Blatt 9 Kapazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt 11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- u

14、nd Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahren Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3519. Introduction This guideline was prepared by the “level meas-urement” committee of the VDI/VDE Society for

15、 Measurement and Automatic Control. The series of guidelines VDI/VDE 3519 describes the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provides information on the assessment of measurement methods and on appropriate appli-cation of these methods. The series of guidelines consists of the f

16、ollowing parts: Part 1 Fundamentals Part 2 Visual methods Part 3 Float methods Part 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing method Part 7 Measuring by retarding und restricting of movements Part 8 Electrical resistance methods Part 9 Capacitive and admittance methods Part

17、10 Heat dissipation method Part 11 Radiometric methods Part 12 Sound and ultrasound methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3519. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtl

18、inie beschreibt die Fll-standmessung mit Verdrngerverfahren. Sie gilt nur zusammen mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This guideline describes level measurement using displacer methods. It should be read in conjunction with Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B97

19、4908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 3 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die An

20、wen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandmesstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 3519 Part 1:2012-12 Level measurement; Fundamentals 3 Begriffe Fr die Anwen

21、dung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI/VDE 3519 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and definitions as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeich

22、en Benennung Einheit A mittlerer Querschnitt des Verdrngers m2D Durchmesser des Verdrngers m F Auftriebskraft N F0im Aufhngepunkt wirkende Kraft am Messanfang N F100im Aufhngepunkt wirkende Kraft am Messende N FAAuftriebskraft des vollstndig eingetauchten Verdrngers N FAxAuftriebskraft beim Fll- sta

23、nd hxN FGGewichtskraft des Verdrngers in Atmosphre N g rtliche Fallbeschleunigung m/s2hbMessbereich (Fllstandnde-rung von Anfangs- bis Endwert) m hkHub des voll eingetauchten Verdrngers m kxh Hub des Verdrngers bei Fll-stand hxhxaktueller Fllstand von der Verdrngerunterkante m L Lnge des Verdrngers

24、m V Volumen des Verdrngers m3VxVolumen des durch den Mess-krper verdrngten Messstoffs mit der Dichte 1m3 Hubkonstante des Messsystems m/N 1mittlere Dichte des unteren Stoffs kg/m32mittlere Dichte des oberen Stoffs kg/m34 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term U

25、nit A mean cross-section of the dis-placer m2D diameter of the displacer m F buoyancy N F0force acting on the suspension point at the start of the measure-ment range N F100force acting on the suspension point at the end of the measure-ment range N FAbuoyancy of the completely immersed displacers N F

26、Axbuoyancy at the level hx N FGdisplacers weight in the atmos-phere N g local gravitational acceleration m/s2hbmeasurement range (change in level from the lower to the upper range limit) m hkstroke of the fully immersed dis-placer m kxh stroke of the displacer at level hxhxcurrent position of the di

27、splacers bottom edge m L length of displacer m V volume of displacer m3Vxvolume of the medium of density 1displaced by the measuring body m3 stroke constant of the system m/N 1mean density of the lower me-dium kg/m32mean density of the upper me-dium kg/m3B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2B

28、F8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5 Verdrngerverfahren 5.1 Messprinzip Der Fllstand wird mit einem gleichmig profi-lierten Messkrper (Ve

29、rdrnger), hauptschlich in zylindrischer Form, gemessen, welcher in die Fls-sigkeit eintaucht und dabei scheinbar so viel an Ge-wicht verliert, wie das Gewicht der verdrngten Stoffe betrgt. Fr die am Verdrnger angreifende Auftriebskraft F gilt allgemein: ( )12ggxxFV VV= + (1) An jedem Verdrnger mit d

30、er Gewichtskraft F0greift eine Auftriebskraft an, wenn er im Messstoff mit der Dichte 2hngt: 0G 2 L( ) gFFV= (2) Dabei ist F0Gewichtskraft des Verdrngers am Messan-fang im Stoff mit der Dichte 2FGGewichtskraft des Verdrngers in der Atmo-sphre LLuftdichte (1,2928 kg/m3bei 0 C und 1013 mbar) 5.2 Einsa

31、tzbereich Messverfahren mit Verdrnger eignen sich fr Flssigkeiten. Auch bei kleinen Messlngen ist die Messung sehr genau. Das Messverfahren ist auch zur Trennschicht- und Dichtemessung gut geeignet. Bei Verdrngermessungen ist zu beachten, dass Vernderungen am Verdrnger und seiner Aufhn-gung, wie Vol

32、umen oder Gewicht in die Messung eingehen. Dies ist der Fall bei starker Korrosion, Adhsion, Kristallisation oder Sublimation. Das Verfahren ist bei hohen und tiefen Temperaturen, bei hohen Drcken und im Vakuum gut geeignet, wobei gertespezifische Eigenschaften zu berck-sichtigen sind. Das Hauptanwe

33、ndungsgebiet liegt im Messbereich von 0,2 m bis 15 m, bei Messstofftemperaturen von 200 C bis 450 C und Drcken von Vakuum bis 500 bar. 5.3 Messverfahren In der Praxis wird die Gewichtskraft in der Atmo-sphre bestimmt. Da die Dichte der Luft Lin der Regel gegenber der Dichte 1des Messstoffs ver-nachl

34、ssigbar klein ist, wird im Folgenden L= 0 gesetzt, das heit, die Gewichtskraft FGdes Ver-drngers in der Atmosphre wird auch in den Berechnungsbeispielen von Abschnitt 5.6 derje-nigen im Vakuum gleichgesetzt. 5 Displacer methods 5.1 Measurement principle The level is measured using a body with a unif

35、orm profile (displacer), mostly of cylindrical shape, which is immersed in the liquid and therefore ap-pears to lose weight equal to the weight of the dis-placed medium. The following applies generally to the buoyancy force F acting on the displacer: ( )12ggxxFV VV= + (1) Any displacer of weight F0i

36、s subjected to a force due to buoyancy when suspended in a medium of density 2: 0G 2 L( ) gFFV= (2) where F0displacers weight at the start of measure-ment in a medium of density 2FGdisplacers weight in the atmosphere Lair density (1,2928 kg/m3at 0 C and 1013 mbar) 5.2 Application Measurement methods

37、 using displacers are suitable for liquids. They are very accurate even with small measurement lengths. They are also well suited for interface and density measurements. It should be noted that changes to the displacer and its suspen-sion, such as its volume or weight, affect the re-sults, e.g. in t

38、he event of strong corrosion, adhe-sion, crystallisation or sublimation. This method is very suitable at high and low temperatures, at high pressures and in a vacuum, but equipment-specific properties need to be allowed for. The main application is in the measurement range from 0,2 m to 15 m, with m

39、easured medium tem-peratures from 200 C to 450 C and pressures from vacuum to 500 bar. 5.3 Measurement method In practice, the weight is determined in the atmos-phere. Because the density of the air Ltends to be negligibly small compared with the density 1of the measured medium, Lwill be regarded in

40、 the following as equal to 0, i.e. the force due to weight FGof the displacer in the atmosphere, including also in the calculation examples in Section 5.6, is considered to be the same as in vacuum. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST Beut

41、hStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 5 Der Auftrieb des vollstndig im Messstoff der Dichte 1eingetauchten Verdrngers ergibt sich aus: A1gFV= (3) Die Gewichtskraft des Verdrngers muss grer sein als die a

42、n ihm maximal angreifende Auftriebs-kraft bei vollstndig eingetauchtem Verdrnger: GAFF (4) Die Kraftdifferenz liegt im Allgemeinen bei 2 N bis 20 N. Unter der Voraussetzung, dass der Verdrnger ber seine Lnge L in seiner Querschnittsflche A kon-stant ist und er seine Lage zur Nullebene nicht ndert (B

43、ild 1), errechnet sich der Fllstand zu: 0xh hh= + (5) ( )A012gxFhhA= +(6) 5.4 Messanordnungen 5.4.1 Messfhler Der Messfhler (Verdrnger) ist in der Regel ein zylindrischer Krper, der schwerer ist als die von ihm verdrngten Messstoffe. Er muss ab Messan-fang querschnittkonstant sein, darf unter den je

44、wei-ligen Betriebsbedingungen seine geometrische Form nicht ndern und muss an der Messanord-nung senkrecht aufgehngt sein. The buoyancy of the displacer immersed com-pletely in a medium of density 1is obtained as follows: A1gFV= (3) The force due to the displacers weight must be greater than the max

45、imum buoyancy force acting on it with the displacer fully immersed: GAFF (4) In general, the difference between the forces is in the range 2 N to 20 N. Assuming that the displacer has a constant cross-section A over its length L and its position relative to the zero level does not change (Figure 1),

46、 the level is calculated as follows: 0xh hh= + (5) ( )A012gxFhhA= +(6) 5.4 Measurement arrangements 5.4.1 Measuring sensor The measuring sensor (displacer) is normally a cy-lindrical body heavier than the media that it dis-places. It must have a constant cross-section from the lower range limit, mus

47、t not change its geometri-cal shape under the chosen operating conditions and must be suspended vertically in the measurement arrangement. Bild 1. Verdrngerverfahren Figure 1. Displacer method B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStand

48、ardsCollection - Stand 2016-11 6 VDI/VDE 3519 Blatt 4 / Part 4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Es ist vorteilhaft, die Lnge des Verdrngers ca. 10 % grer als den Messbereich zu whlen. Da-durch wird vermieden, dass bei geringeren als der Berechnung zugrunde gel

49、egten Messstoffdichten der Verdrnger voll eingetaucht einen Fllstand unter-halb des Messendes vortuscht und dadurch die Gefahr einer berfllung des Behlters besteht. 5.4.2 Messumformer 5.4.2.1 Kraft-Weg-Messumformer Eine in die Aufhngung des Verdrngers einge-setzte Feder formt die Auftriebskraft in einen Weg um. Bei dieser Anordnung ndert der