Глава 2. Приборы для измерения уровня

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета.

Уровень измеряют в единицах длины (м, см и др.). Средства измерений уровня называют уровнемерами. К приборам для измерения уровня заполнения емкостей и сосудов предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определенного предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений. Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину (уровень) и преобразует ее в выходной сигнал (электрический, пневматический, частотный), поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

В зависимости от того, различие каких физических свойств веществ воспринимает первичный преобразователь, уровнемеры подразделяют на механические, акустические, электрические, оптические, тепловые, радиоизотопные.

Уровнемеры делятся на приборы:

· для непрерывного слежения за уровнем;

· для сигнализации о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня).

К механическим уровнемерам относятся поплавковые, буйковые и гидростатические уровнемеры. Все они реализуют абсолютный метод измерения уровня, основанный на использовании различия плотностей веществ, образующих границу раздела.

В качестве первичного преобразователя поплавковыхуровнемеров используется тело (поплавок) шарообразной или цилиндрической формы, плавающее в жидкости на определенном уровне. Поплавок под действием выталкивающей (архимедовой) силы перемещается вместе с уровнем жидкости. Положение поплавка, являющееся мерой текущего значения уровня жидкости, фиксируется вторичным преобразователем и преобразуется в электрический, пневматический, частотный сигнал и (или) отсчитывается по шкале показывающего прибора.

Принципиальная схема буйкового уровнемера приведена на рисунке 2.1. Чувствительный элемент уровнемера — буй представляет собой массивное тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, в котором измеряется уровень жидкости. При изменении уровня жидкости меняется степень погружения буя (∆h), а, следовательно, и действующая на него выталкивающая сила. Изменение выталкивающей силы компенсируется деформацией (∆x) упругого элемента (пружины, мембраны, торсионной трубки), которая и является мерой изменения уровня жидкости в сосуде.

Принцип действия гидростатических уровнемеров основан на измерении давления столба жидкости, высота которого равна высоте уровня жидкости в сосуде.

Измерение гидростатического давления может осуществляться:

· датчиком избыточного давления (манометром), подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

· дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;

· измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость, на фиксированное расстояние (пьезометрический метод).

Вибрационные уровнемеры — это лучшее решение для липких сред.

В ротационных уровнемерах лопасть, установленная на оси, вставленной в бункер, приводится в движение электромотором, размещенным в корпусе прибора. При наполнении емкости вращающаяся лопасть сталкивается с продуктом и останавливается, а мотор, закрепленный на поворотной опоре, приводит ее в движение. Микропереключатели, отслеживающие это движение, срабатывают, останавливают мотор и переключают релейный выход.

Ряд поплавковых уровнемеров используют магнитострикционный эффект, при котором стержень, направляющий поплавок, содержит волновод, заключенный в катушку, по которой подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации, распространяющиеся по волноводу, которые воспринимаются пьезоэлементом вверху стержня. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы.

В промышленности находят применение акустические уровнемеры трехосновных типов — локационные, резонансные и уровнемеры поглощения. Все они реализуют различные физические явления, связанные с распространением звука в упругой (жидкостной или газовой) среде.

Локационные уровнемеры (рисунок 2.2.) реализуют эффект отражения звуковой волны от поверхности раздела сред. Генератор излучает в жидкость поток импульсов высокой (ультразвуковой) частоты.

Отраженный от границы раздела жидкость—газ сигнал улавливается приемником ультразвуковых колебаний. Время между моментом излучения зондирующего импульса и моментом регистрации отраженного импульса от уровня жидкости фиксируется соответствующей измерительной системой и преобразуется в выходной сигнал уровнемера, пропорциональный текущему значению уровня.

Принцип действия диссипативных ультразвуковых уровнемеров основан на явлении рассеивания (поглощения) звуковой энергии в веществе. В простейшем случае диссипативный уровнемер (рисунок 2.3.) состоит из излучателя И и приемника П, установленных на дне и крышке сосуда.

Принцип действия резонансных уровнемеров заключается в возбуждении колебаний столба газа над уровнем жидкости и в фиксации резонансной частоты, при которой наблюдается возникновение стоячей волны.

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками; газы же, находящиеся в наджидкостном пространстве, всегда диэлектрики.

В зависимости от того, какой выходной параметр «реагирует» на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на кондуктометрические, емкостные и индуктивные.

Работа емкостных уровнемеров основана на том, что диэлектриче-ская проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.

Омические (кондуктометрические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводящих жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением.

Первичный преобразователь индуктивных уровнемеров представляет собой катушку индуктивности. Проводящая жидкость при этом играет либо роль шунта, изменяющего число витков катушки, либо роль экрана, влияющего на коэффициент самоиндукции катушки.

Основной недостаток всех электродных приборов — невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.

Радиационные уровнемеры применяют для сложных условий эксплуатации: ядовитые, токсичные, радиоактивные, сильно корродирующие жидкости, при высокой температуре и давлениях. Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесообразно там, где другие методы измерения применить нельзя. Радиационными уровнемерами просвечивают объект измерения гамма-лучами радиоактивных элементов, интенсивность которых зависит от объёма измеряемого вещества.

Степень распространения методов контроля уровня оценивается в процентном отношении следующими показателями: поплавковый — 24 %, вибрационный — 21 %, гидростатический — 20 %, кондуктометрический — 5 %, емкостный— 15 %, на основе измерения времени прохождения сигнала— 15 %.

В таблице 2.1. представлены основные методы определения уровня, а на схеме 2.1. показана классификация приборов для измерения уровня.

 

Таблица 2.1. Методы измерения уровня

Принцип	Система	Характеристики
Визуальный	Указатель уровня	Простой, дешевый, непрерывный метод фиксации для жидкостей
Крючкообразный индикатор	Простой, дешевый метод для небольших изменений уровня жидкости
Смотровое стекло	Дешевый, может использоваться для открытых сосудов и емкостей под давлением до 70 МПа и температуре до 300°С
Поплав-ковый	Поплавок на тросике	Дешевый, может применяться с агрессивными жидкостями в широком температурном диапазоне
Потенциометрический поплавковый датчик	Выход по напряжению, дешевый, может применяться с агрессивными жидкостями в широком температурном диапазоне
Магнитный поплавковый датчик	Может использоваться с агрессивными жидкостями и в более широком диапазоне температур
По перемеще-нию	Датчик с пружинными весами	Может применяться для определения границ раздела жидкостей; точный, но имеет ограниченный диапазон измерения
Торсионный трубчатый датчик	Может использоваться для определения границ раздела жидкостей, точный, дает электрический и пневматический выходной сигнал, но имеет ограниченный диапазон измерения
По давлению	Датчик давления	Может использоваться для открытых сосудов и емкостей под давлением. Вид выходного сигнала зависит от типа применяемого датчика давления
Пузырьковый метод	Может применяться с агрессивными жидкостями и суспензиями. Вид выходного сигнала зависит от типа используемого датчика давления
Весовой	Динамометрические элементы	Может использоваться для жидкостей, суспензий, твердых тел и агрессивных жидкостей. Электрический выходной сигнал от датчиков деформации
Электричес-кий	Индикатор уровня по проводимости	Указывает только момент достижения критического уровня. Применим для жидкостей с высокой электрической проводимостью
Датчик сопротивления	Может использоваться для твердых теп и жидкостей
Емкостный датчик	Может использования при работе с агрессивными жидкостями, при высоких температурах и давлениях, компактный, точный
Ультра-звуковой	Эхолокационная	Может использоваться для твердых тел и жидкостей частности, для агрессивных жидкостей, для определения границ раздела, относительно дорогой
Радиацион­ный	Поглощение излучения	Может использоваться для твердых тел и жидкостей, в частности, для агрессивных, и при высокой температуре
Тепловой	Термистор	Определяет достижение критического уровня

Схема 2.1. Классификация средств измерения уровня

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: