Гидростатические уровнемеры

КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА

 

Поплавковые уровнемеры

 

В этих приборах чувствительным элементом является поплавок с меньшей (плавающий) или большей (погруженный) плотностью, чем плотность жидкости (рис. 1).

1 – поплавок; 2 – ролики; 3 – противовес; 4 - шкала

Рисунок 1 – Простейший поплавковый измеритель уровня

 

Измерение уровня жидкости в аппарате с плавающим поплавком вызывает его перемещение, которое посредством системы рычагов, тяг и тросов передается указателю, движущемуся по шкале, или вторичному прибору для показания, записи или передачи на расстояние значений высоты уровня жидкости в аппарате.

В таких уровнемерах поплавок «следит» за уровнем жидкости.

Недостатки этих уровнемеров: перевернутая шкала; дополнительная погрешность измерения из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса прибавляется сила тяжести троса).

Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов.

В поплавковых уровнемерах узкого диапазона (рис. 2) в качестве чувствительного элемента используется шарообразный поплавок диаметром 80 – 200 мм, выполненный из нержавеющей стали.

Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые (рис. 2, а) и камерные (рис. 2, б), отличающиеся способом их установки на технологических объектах.

Рисунок 2 – Системы поплавковых уровнемеров:

а – фланцевых;

б – камерных;

в – широкого диапазона: 1 – поплавок; 2 – трос; 3 – шкала; 4 - противовес

 

Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров 0 – 10 мм, максимальный – 0 – 200 мм.

Класс точности 1,5.

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рис. 2, в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2.

В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в объекте.

При расчетах таких уровнемеров подбирают конструктивные параметры поплавка, обеспечивающие состояние равновесия системы «поплавок - противовес» только при определенной глубине погружения поплавка.

Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние равновесия системы «поплавок - противовес» описывается уравнением:

где G _пр и G _поп – силы тяжести противовеса и поплавка соответственно;

S – площадь поплавка;

h ₁ – глубина погружения поплавка;

ρ_ж – плотность жидкости.

 

При повышении уровня жидкости изменяется глубина погружения поплавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила.

В результате равенство (1) нарушается и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка на станет равной h ₁.

При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения не станет равной h ₁.

Для передачи информации о значении уровня на расстояние обычно применяют сельсинные системы передачи.

Таким уровнемером можно измерять уровень с достаточной для большинства случаев точностью.

Недостатки уровнемера: перевернутая шкала (с нулем у верхнего края емкости); погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса добавляется сила тяжести троса).

 

Действие уровнемеров с пружинным поплавком основано на изменении выталкивающей (архимедовой) силы, действующей на поплавок при его погружении в жидкость. Такой поплавок удерживается в подвешенном состоянии посредством пружинного элемента. Благодаря этому значительные по величине изменении уровня жидкости будут приводить лишь к небольшим перемещением поплавка. В большинстве случаев перемещение поплавка, вызванное изменением уровня жидкости,передается на плунжер соленоидного дифференциально-трансформаторного (индуктивного) датчика (рис. 3). Уровнемеры с индуктивными датчиками применяются для измерения уровня жидкости в резервуарах высокого давления.

Рисунок 3 – Схема уровнемера с дифференциально-трансформаторным датчиком

Буйковые уровнемеры. Для дистанционного измерения уровня жидкости часто применяют буйковые уровнемеры с унифицированными выходными сигналами постоянного тока 4 – 20 мА (типа УБ - Э) или давления воздуха 0,02 – 0,1 МПа (УБ - П). Чувствительным элементов уровнемера является металлический цилиндрический буек, частично погруженный в измеряемую среду. На буек действует сила его веса и выталкивающая сила (рис. 4). При изменении уровня жидкости меняется выталкивающая сила и положение буйка, подвешенного на пружине. За счет разности глубины погружения буйка меняется выталкивающая сила, действующая на буек, и он перемещается либо вверх (при повышении уровня), либо вниз (при повышении уровня).

Рисунок 4 – Схема буйкового уровнемера: 1 – буек; 2 – преобразователь силы в токовый сигнал

Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, применяют буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 4 – 20 мА.

 

Гидростатические уровнемеры

 

Служат для измерения гидростатического давления столба жидкости. Различают гидростатические (с использованием интеллектуального датчика «Метран ДГ»), гидростатические пьезометрические и дифманометрические уровнемеры.

Пьезометрические уровнемеры. Действие гидростатических пьезометрических уровнемеров основано на изменении давления воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости с измеряемым уровнем при изменении последнего. Их часто применяют для определения уровня жидкостей с повышенной вязкостью. Высоту уровня жидкости измеряют по давлению воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости. На рис.5 показана схема подобного устройства для открытых резервуаров.

Рисунок 5 – Схема пьезометрического уровнемера

 

В жидкость, уровень которой предстоит измерить, погружают трубку, и в нее через дроссель непрерывно нагнетается сжатый возжух или газ, например, азот. Пневматическое давление, устанавлливающееся в погружной трубке за дросселем соответствует гидростатическому давлению над концом трубки и является тем самым мерой уровня заполнения резервуара. Материал погружной трубки выбирается в соответствии с химическими и физическими свойствами измеряемой жидкости.

 

Ультразвуковые уровнемеры

 

Принцип действия основан на измерениивременного интервала между излученным и отраенным сигналами.

Ультразвук можно использовать для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Способ не пригоден лишь для измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, которые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым привести к погрешностям измерения. Такие химические и физические свойства жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, играют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измерения уровня позволяет осуществлять сигнализацию уровня сыпучих материалов, например целлюлозы, мелкозернистых или порошкообразных синтетических материалов. Область применения этого метода распространяется также на измерение уровня жидкости в емкостях из пластика, где сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не всегда пригоден.

Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо наличие излучателя и приемника. Излучатель посылает ультразвуковые импульсы, представляющие собой механичесике колебания в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колебания, поведение которых напоминает поведение световых лучей. В связи с этим к ним применим известный из оптики закон отражения и преломления. Время прохождения или поглощениялуча может служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распространения ультразвука минимальна. С ростом частоты звукопроводность уменьшается.

 

Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей уровня. В первом режиме при измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука (рис. 6)

Рисунок 6 – Ультразвуковой уровнемен: 1 – излучатель; 2 - приемник

 

Первый режим похож на работу фотоэлектрического преобразователя: ультразвуковой тзлучатель и приемник (детектор) монтируются внутри резервуара и располагаются строго против друг друга так, что между ними образуется прямой путь проходения ультразвуковой волны в газе.

При заполнении пространства между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом ультразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны весьма существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материалом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых преобразователей используется только для определения дискретных уровней жидкости, т.е. для сигнализации предельных величин.

Такой способ подачи ультразвуковых сигналов пригоден для измерения уровня сыпучих материалов.

 

Для измерения уровня жидкостей наиболее удобен второй режим работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измерении времени прохождения сигнала с использованием принципа эхолота (рис. 7)

 

Рисунок 7 – Ультразвуковой уровнемер: 1 – излучатель; 2 – приемник

 

Электрический импульс пьезоэлектрическим вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который излучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкость – воздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибратор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, посланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на вход усилителя. Тогда уровню жидкости соответствует время между излучением (моментом посылки импульса) и приемом отраженного ультразвукового импульса от поверхности жидкость – воздух до ультразвукового преобразователя

где l – расстояние от излучателя до поверхностного раздела фаз;

ν_с – скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.

 

Принципиальная схема ультразвукового уровнемера, работающего на втором режиме ультразвуковых преобразователей, приведена на рис. 8.

 

Рисунок 8 – Принципиальная схема ультразвукового уровнемера

 

Уровнемер состоит из пьезоэлектрического преобразователя (вибратора) 2, установленного в резервуаре 1, электронного блока 3 и вторичного измерительного прибора 8 (на рисунке автоматический потенциометр). Электронный блок включает в себя генератор 7, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 4, посылаемых в жидкость, уровень, который измеряется; приемного устройства – усилителя 5; измерителя времени 6. Генератор 7, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов 4 и измерителем времени 6. Генератор импульсов 4 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, которые преобразуются в ультразвуковые с помощью пьезоэлектрического преобразователя 2, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от поверхности жидкости (от границы раздела жидкость - газ) и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 5, а затем подаются на измеритель времени. Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное напряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8.

 

Третий режим работы ультразвуковых преобразователей показан на рис. 9.

Рисунок 10 – Ультразвуковой уровнемер: 1 – излучатель

 

Внутри резервуара размещают эмиттер, излучающий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жидкости.

В этом случае ультразвуковые колебания оказываются в резонансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости. Уровень жидкости определяется измерением частоты новых колебаний, поскольку при разном уровне жидкости резонансная частота оказывается различной.

Применение ультразвуковых уровнемеров: для измерения уровня только однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением.

Преимущество измерения уровня с использованием ультразвука заключается в том, что этот метод удобен для измерения уровня заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по конструктивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим способом измерения.

 

КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА

 

Измерение уровня жидкости в промышленности осуществляют:

- поплавковыми уровнемерами: фланцевыми, камерными, широкого диапазона;

- гидростатическими уровнемерами, пьезометрическими уровнемерами, дифманометрическими уровнемерами.

- кондуктометрическими уровнемерами;

- ультразвуковыми уровнемерами;

- фотоэлектрическими: раздельными и совмещенными;

- радарными уровнемерами: бесконтактными, контактными;

- магнитоэлектрическими.

 

Измерение уровня сыпучих материалов в промышленности осуществляют:

- поплавковыми уровнемерами;

- емкостными уровнемерами;

- емкостными сигнализаторами уровня;

- сигнализаторами уровня с вибрационной вилкой;

- весовыми уровнемерами.