Уровнемеры для жидких и сыпучих тел

 

Контроль за состоянием уровня жидкости и сыпучих тел имеет важное значение в технике, особенно в условиях автоматизации технологических процессов в агрегатах с непрерывной подачей и отбором вещества, а также в целях обеспечения безопасной работы оборудования. К таким агрегатам в металлургии принадлежат шахтные печи, установки непрерывного литья, барабаны паровых котлов-утилизаторов и т.д. Так, в доменной печи уровень и профиль поверхности шихтовых материалов под колошником существенно влияют на распределение газовых потоков в шахте печи, а следовательно, и на ход процесса выплавки чугуна.

В зависимости от характера контролируемой среды и условий измерения применяют следующие основные типы уровнемеров: поплавковые, буйковые, гидростатические, емкостные, радиоизотопные, радиоволновые, акустические.

Простейшими и наиболее надежными уровнемерами, применяемыми для контроля уровня жидкости в резервуарах, являются поплавковые. Принцип действия поплавкового уровнемера основан на измерении положения поплавка 1, плавающего на поверхности контролируемой жидкости 2 и связанного через систему подвижных блоков 3 с уравновешивающим грузом - указателем 4, перемещающимся относительно неподвижной вертикальной шкалы 5 при изменении уровня жидкости в резервуаре. Поплавковые уровнемеры применяют, в основном, при небольшом давлении - до 6,0 МПа и температуре измеряемой жидкости до 300 ⁰С. Область измеряемых значений уровня 0,025-20,0 м. Погрешность измерений составляет 1-2 мм.

 

а) поплавковый уровнемер; б) буйковый уровнемер.

 

Рисунок 6.1 – Схема устройства уровнемеров

 

При измерении уровня поплавковыми уровнемерами необходимо учитывать, что изменение плотности контролируемой жидкости приводит к изменению глубины погружения поплавка и к погрешности измерений. Аналогичные последствия вызывает изменение температуры окружающей среды вследствие изменения объема поплавка. Уменьшение погрешностей измерения уровня, вызванных указанными факторами, достигают уменьшением осадки поплавка путем увеличения площади погружаемой части поплавка или уменьшения его массы.

Буйковые уровнемеры могут работать при значительных давлениях - до 10 МПа. Они в основном применяются для дистанционного измерения уровня жидкости и имеют на выходе унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Чувствительный элемент - буек 6 закреплен на рычаге 7 и подвешен на пружине 8, при этом буек частично погружен в контролируемую жидкость, так как в отличие от поплавка он имеет значительный вес. При изменении уровня жидкости в резервуаре на ∆h изменяется степень погружения буйка, а следовательно и растягивающее усилие пружины 7 под действием веса буйка. Положение буйка 6 через рычаг 7 и ось 9 преобразуется в угловое перемещение стрелки указателя 10, показывающей по шкале 11 уровень жидкости. Положение буйка может быть преобразовано в электрический или пневматический сигнал для дистанционной передачи.

Буйковые уровнемеры могут применяться для измерения уровня жидкости с плотностями от 0,6 до 2,5 г/см³ при ее температуре от -40 до +400 °С. Класс точности буйковых уровнемеров 1,0 и 1,5. Их чувствительность может быть повышена за счет увеличения площади поперечного сечения буйка 6, а также уменьшения жесткости пружины 8. Причины возникновения погрешностей при измерении уровня в резервуарах буйковыми уровнемерами аналогичны поплавковым уровнемерам.

Гидростатические уровнемеры применяются для измерения уровня жидкостей в барабанах парогенераторов, котлов-утилизаторов и системах испарительного охлаждения металлургических печей. Принцип измерения основан на измерении гидростатического давления, создаваемого контролируемой жидкостью. Существует большое число разновидностей гидростатических уровнемеров, которые можно разделить на два основных типа: дифманометрические и пневмометрические уровнемеры. Схема измерения уровня воды дифманометром в баке с использованием уравнительного сосуда.

 

Рисунок 6.2 -Схема измерения уровня воды в барабане дифманометром с использованием уравнительного сосуда

Плюсовая камера дифманометра 4 соединена трубкой 2 с уравнительным сосудом 1, а минусовая камера с нижней частью водяного пространства барабана трубкой 3. В сосуде 1, сообщающемся с паровым пространством барабана, уровень воды (конденсата) поддерживается постоянным. Дифманометры показывают разность гидростатических давлений измеряемого и уравнительного (с постоянным уровнем) сосудов. Уравнительные сосуды данного типа применяют в парогенераторах с давлением пара в барабане Р < 16 МПа. При этом достоверность показаний уровнемера в значительной мере зависит от давления пара в барабане, а также температуры измеряемой среды. Гидростатические уровнемеры применяют для измерения уровня от 0,025 до 6,3 м при температуре контролируемой среды до 600 °С и области изменения давления до 25 МПа. Пределы основной погрешности 1-1,5%.

Пневмометрические уровнемеры применяются для измерения уровня агрессивных жидкостей, в которых гидростатическое давление столба жидкости уравновешивается давлением воздуха или инертного газа, измеряемого дифманометром Д.

 

 

Рисунок 6.3 - Схема пневмометрического уровнемера

 

Существенным преимуществом пневмометрических уровнемеров является независимость их показаний от температуры соединений.

Емкостные уровнемеры обеспечивают измерение уровня жидкостей переменной плотности в широком интервале температур (от -260 до +250 °С) и давлении до 6,0 МПа. В зависимости от типа они могут применяться для измерения уровня как электропроводящих, так и неэлектропроводящих жидкостей (к первым относят жидкости, имеющие удельное электрическое сопротивление р < 10 Ом∙м и диэлектрическую проницаемость _ж > 7 Ф/м), в том числе и агрессивных. Принцип действия емкостного датчика основан на измерении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению уровня контролируемой жидкости в резервуаре относительно неподвижного датчика.

Емкостной уровнемер для неэлектропроводящей жидкости.

 

 

Рисунок 6.4 - Емкостной уровнемер для измерения уровня неэлектропроводящих жидкостей (в) и его (б) принципиальная электрическая схема

 

В контролируемую среду опущен электрод 1. Вторым электродом служит заземленный электропроводящий корпус сосуда 2. Электрод изолирован от корпуса сосуда с помощью втулки 3. Таким образом, преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С_ж образован частью электродов и диэлектриком - жидкостью, уровень которой изменяется; конденсатор С_в образован остальной частью электродов и диэлектриком - воздухом.

Емкость датчика С_Д выражается уравнением:

 

С_Д = C_{ж +} C_в[ _ж + (L-l) ₀] ,

 

где I - полная длина электрода, м; - глубина погружения электрода в жидкость, м;

_ж и ₀ - диэлектрическая проницаемость жидкости и воздуха, Ф/м;

R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего электродов, м.

 

Измерение электрической емкости датчика производится индуктивно-емкостным мостом, состоящим из индуктивностей двух вторичных обмоток трансформатора Т_р, конденсаторов С, и С₂ и емкости датчика С_Д. Измерительный мост питается генератором Г с частотой 100 кГц. С изменением уровня контролируемой среды изменяется глубина погружения электрода, следовательно, меняется электрическая емкость датчика, что приводит к нарушению баланса моста и появлению на его выходе сигнала дисбаланса, пропорционального изменению уровня измеряемой среды. Сигнал разбаланса поступает на вход усилителя, выходное напряжение которого измеряется вторичным прибором ВП. Емкостные уровнемеры выпускаются с пределом допускаемой основной погрешности от 0,5 до 2,5 %. К числу их недостатков следует отнести зависимость показаний от изменения диэлектрической проницаемости жидкостей при колебаниях температуры. Емкостные уровнемеры непригодны для измерения уровня вязких, пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также взрывоопасных сред.

Радиоизотопные уровнемеры предназначены для непрерывного бесконтактного дистанционного измерения уровней жидкостей и сыпучих тел. Принцип действия этих приборов основан на изменении степени ослабления -излучения на границе раздела двух сред, испускаемого радиоактивными изотопами цезием ¹³⁷Cs или кобальтом ⁶⁰Со через контролируемую среду. В металлургии радиоизотопные уровнемеры применяют для измерения уровня жидкого металла. Так, в кристаллизаторах источник -лучей устанавливают с одной стороны кристаллизатора, а счетчик - с противоположной. Поток -лучей, проходя через стенки кристаллизатора и расплавленный металл, попадает на счетчик. При понижении уровня расплавленного металла поглощение уменьшается и интенсивность излучения, прошедшего через кристаллизатор, возрастает. Сигнал от счетчика через измерительные блоки воздействует на исполнительный механизм, который перемещает детектор вверх до положения, соответствующего уровню металла в кристаллизаторе и регистрируемого вторичным прибором.

К недостаткам радиоизотопных уровнемеров следует отнести необходимость принятия специальных мер биологической защиты персонала.

Более перспективны для контроля уровня жидкого металла радиоволновые методы, основанные на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости. К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерференционный, эндовибраторный и резонансный.

В основу работы радиолокационных уровнемеров положено явление отражения электромагнитной волны от границы раздела двух сред с различной электрической и магнитной проницаемостью. Уровень контролируемой среды h определяется путем измерения времени прохождения радиосигнала от момента его испускания излучателем до момента фиксирования отраженного сигнала приемником

 

= 2 /C(H-h),

 

где - диэлектрическая проницаемость газовой среды, Ф/м; -магнитная проницаемость, Г/м; С - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, м/с.

Недостатками уровнемеров данного типа являются сложность точного измерения времени прохождения радиоволн и наличие в зоне контроля других металлических предметов, в частности, металлических стенок емкостей, что требует применения узконаправленных излучателей.

Схема радиолокационного уровнемера, применяемого для контроля уровня границы шлак-металл, а также определения верхней границы расплава, через боковую стенку рабочей емкости.

 

 

Рисунок 6.5 - Схема радиолокационного уровнемера для контроля уровня жидких металлов и шлаков

 

Высокочастотный сигнал, возбуждаемый генератором 1, поступает на антенну-излучатель конусообразной формы 2, с размером основания конуса 1, равным диапазону изменения уровня контролируемого расплава. Для установки излучателя 2 в металлической обшивке 5 емкости вырезается отверстие, соответствующее размерам основания конусообразного излучателя. Поскольку огнеупорная футеровка 6 емкости пропускает радиоволны, то изменение границы раздела шлак-металл или верхнего уровня расплава приводит к изменению прошедшей и отраженной энергии радиосигнала, что создает изменение сигнала на детекторе 3 и вторичном преобразователе 4.

Измерение уровня сыпучих тел в бункерах, шахтах и других устройствах значительно усложняется в сравнении с контролем уровня жидкостей, что связано с неоднородностью размеров твердых частиц и их ограниченной подвижностью. Это, как правило, приводит к расположению поверхности сыпучих материалов под углом естественного откоса к горизонтали. К трудностям измерения уровня сыпучих материалов следует также отнести их способность к налипанию и абразивному воздействию на первичные датчики контроля, а также, как правило, запыленности газового пространства, что требует дополнительных мер по обеспечению взрывобезопасности.

Уровнемеры для измерения уровня сыпучих сред подразделяют на следующие основные типы: электромеханические, электрические, электронные, радиоизотопные, весовые.

Простейшими из них по принципу работы являются весовые (массовые), основанные на взвешивании бункера вместе с имеющимся в нем материалом.

В качестве примера электромеханического уровнемера приведена схема лотового уровнемера, чувствительным элементом которого является лот 1, представляющий собой массивное тело, прикрепленное с помощью гибкого троса 2 к механизму подъема и стопорения 5.

 

 

Рисунок 6.6 - Схема лотового уровнемера для сыпучих материалов

 

Перед измерением лот 1 фиксируется с помощью механизма подъема 5 в крайнем верхнем положении, после чего растормаживается и под действием собственного веса начинает опускаться. В момент движения троса реле натяжения 3 фиксирует начало его движения и посылает электрический сигнал на счетное устройство 4 для начала отсчета уровня. При касании лотом поверхности сыпучего материала в бункере меняется натяжение троса, что вновь фиксируется реле натяжения троса 3 и одновременно посылается сигнал на отключение счетного устройства 4 и включение механизма подъема лота 5. После сброса на счетном устройстве предыдущих значений уровня весь цикл измерения повторяется.

Для контроля и регулирования уровня шихты в доменной печи применяют радиоизотопные уровнемеры. В верхнем ряду защитных сегментов колошника доменной печи в диаметрально противоположных точках устанавливают две амбразуры с источником 1 радиоактивного излучения.

 

Рисунок 6.7 - Схема расположения неподвижного источника и подвижного приемника излучения радиоизотопного измерителя уровня шихты в доменной печи

 

Излучение двух источников проходит через шахту доменной печи и попадает на четыре подвижных детектора излучения 2, перемещающихся в трубках холодильников. Сигналы от детекторов по кабель-тросам 3 поступают в токосъемники 4, а затем в блоки усиления и измерения и на исполнительные механизмы подъема детекторов 5 и 6. Каждый источник облучает два противоположных детектора. Если детектор находится ниже уровня шихты, то -лучи на него не попадают, если выше уровня шихты, то под действием -лучей в нем вырабатывается электрический сигнал. Детекторы перемещаются вниз или вверх до тех пор, пока не будут расположены на уровне, соответствующем уровню шихты. В этом случае электрический сигнал равен компенсационному. Положение детекторов регистрируется самопишущим прибором на диаграмме. Максимальный диапазон измерения уровня шихты составляет 4 м; абсолютная погрешность измерения при горизонтальном расположении уровня шихты ±6 см.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: