Гидростатические уровнемеры

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.

При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню.

Суть процесса заключается в том, что одна мембрана датчика устанавливается на резервуаре, к тому месту, где идёт подача измеряемой среды. Вторая мембрана устанавливается непосредственно на подаче атмосферного давления – данное исполнение применимо для измерения уровня в открытых резервуарах. В закрытых же резервуарах вторая мембрана устанавливается в области избыточного давления.

Достоинства:

· простота монтажа и обслуживания;

· высокая надежность;

· гидростатические уровнемеры отлично работают с вязкими жидкостями и при большом избыточном давлении.

· точность;

· реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;

Недостатки:

· движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Беррнулли);

· атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

· изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

· чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, что требует для датчиков специальных материалов, существенно сужая область их использования.

От последнего недостатка свободен один из типов гидростатических уровнемеров - пьезометрический, которого приведена на рис. 6. нри6ор работает следующим образом. Нейтральный (по отношению к находящейся В сосуде жидкости) газ при открытом отсечном клапане К проходит через фильтр Ф, дросселируется до определенного заданного давления дросселем Др ипропускается через импульсную трубку, опущенную в жидкость, уровень которой измеряется. Регулятор расхода Р обеспечивает постоянный расход газа q, не зависящий от текущего значения уровня h. М ерой h в данном случае является регистрируемое манометром М давление.

Пьезометрические уровнемеры пригодны для измерения уровня любых, в том числе, и агрессивных жидкостей (при правильном Выборе материала импульсной трубки). единственный лимитирующий фактор -‑вязкость жидкости. Влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков газа, отрыв которых от обреза трубки сопровождается возникновением колебаний давления и расхода в измерительной линии, что резко снижает точность измерений. Поэтому пьезометрические уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей, вязкость которых не превышает 2000 сСт.

Электрические уровнемеры

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 нажидкостном пространстве, всегда диэлек­трики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков - отно­сительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаи­модействия между электрическими зарядами.

В зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя „реагирует" на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на кондуктометрические, емкостные и индуктивные.

Кондуктометрические уровнемеры

Кондуктометрические уровнемеры(уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (в том чис­ле, и жидких металлов). Первичный преобразователь (рис. 7) кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уров­ня. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. При измерении уровня „сверхпроводящих" жидкос­тей (например, жидких металлов) возможно применение кондуктометрических уровнемеров с одним электродом, роль второго электрода при этом выполняет заземленный сосуд.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров — непостоянство площадей поперечных сечений электродов (и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов), а также образование на электродах пленки (окисла, соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконт­ролируемому снижению чувствительности датчика.

Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров сущест­венное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жид­кости, поляризация среды вблизи электродов.

Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов изме­рения уровня (даже при использовании различных компенсационных схем) достаточно высоки (5—10 %), поэтому они находят преимущест­венное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жид­костей.

Емкостные уровнемеры

Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Первичный преобразователь (рис. 8) емкостного уровнемерапредставляет собой коаксиальный цилиндрический конденсатор, внут­ренней обкладкой которого служит металлический зонд 1, покрытый изоляцией 2.

Зонд расположен по оси металлической трубы 3, являющей­ся наружной обкладкой датчика-конденсатора. Зазор между внешней по­верхностью изоляции зонда и наружной обкладкой называется рабочим зазором, сообщающимся через отверстия в нижней центровочной втулке и в наружной трубе с сосудом, в котором измеряется уровень. Жидкость, попадая через эти отверстия в рабочий зазор датчика, изменяет его кажу­щуюся емкость. Измерительная схема (вторичный преобразователь) ре­гистрирует разность кажущихся емкостей датчика при текущем и нуле­вом значениях уровня.

Вследствие простоты, удобства монтажа и обслуживания, надеж­ности и потенциально высокой точности (известны емкостные уровнеме­ры, основная погрешность которых не превосходит 0,1-0,2 %) емкост­ные уровнемеры находят широкое применение в промышленности.

К недостаткам емкостных уровнемеров относятся: высокая чувст­вительность к изменению электрических свойств жидкостей, обуслов­ленных изменением их состава, температуры и т. п., образование на эле­ментах датчика электропроводящей или непроводящей пленки вследст­вие химической активности жидкости, конденсации ее паров, налипания самой жидкости на контактирующие в ней элементы и т. п.

Оба указанных недостатка обусловливают появление существенных дополнительных погрешностей. С первым из них борются, применяя различные компенсационные схемы; второй устраняют, используя адге­зионные покрытия элементов датчика, вводя специальные присадки в жидкость, применяя „снос" образующейся пленки и т. д.

Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов: цемента, извести и т. п.

Индуктивные уровнемеры

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. В первом случае используются катушки с обнаженными витками. При перемещении уровня жидкости, обладающей высокой электропроводностью, часть витков шунтируется и соответствующим образом меняет индуктивность катушки первичного преобразователя — датчика.

Экранирующий эффект проводящей жидкости заключается в воз­никновении в ней вихревых токов (токов Фуко), электромагнитное по­ле которых оказывает размагничивающее действие на поле измеритель­ной катушки. При этом датчик выполняется в виде катушки, помещен­ной в защитный чехол (рис. 9). Чехол исключает контакт катушки с контролируемой жидкостью, обеспечивает возможность проведения монтажно-демонтажных работ без нарушения герметичности сосуда (что особенно важно, на­пример, при измерении уровня жидких тепло­носителей в ядерных реакторах). Однако при этом (особенно при больших толщинах чехла и малой электропроводности жидкости) резко уменьшается уровень полезного сигнала.

Наиболее существенное влияние на показа­ния (и на погрешность) индуктивных уровнеме­ров оказывают изменения электропроводности жидкости и чехла вследствие старения материа­ла, образования пленок и т. п.

Основная же погрешность индуктивных уровнемеров, обусловленная погрешностями его градуировки и измерительной схемы, мо­жет быть „уложена" в ±0,5 %

 

Акустические уровнемеры

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

Локационные уровнемеры (рис. 10) реализуют эффект отра­жения звуковой волны от поверхности раздела сред. Генератор Г излуча­ет в жидкость пачку импульсов высокой (ультразвуковой) частоты. От­раженный от границы раздела жидкость—газ сигнал улавливается приемником П ультразвуковых колебаний. Время t между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода отраженного от уровня импульса связано с текущим значением уровня. Время t фиксируется соответствующей измерительной схемой и преобразуется в выходной сиг­нал уровнемера, пропорциональный текущему значению уровня h.

Недостатки локационных уровнемеров:

· Повышенная чувстви­тельность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа)

· Основными факторами (кроме погрешностей измерительной схе­мы), влияющими на точность локационных уровнемеров, являются теп­ловое расширение сосуда и изменение скорости звука в среде.

Диссипативные уровнемеры

Принцип действия диссипативных ультразвуковых уровнемеров ос­нован на явлении рассеивания (поглощения) звуковой энергии в веще­стве. В простейшем случае диссипативный уровнемер (рис. 11) состоит из и излучателя И и приемникаП, установленных на дне и крышке сосуда.

Нелинейность функции преобразования (градуировочной характе­ристики), а также низкий КПД, обусловленный отражением звуковой энергии от границы раздела жидкость—газ (например, интенсивность пре­ломленной ультразвуковой волны при прохождении через границу вода-воздух составляет всего 0,001 падающей), препятствует промышленно­му освоению диссипативных уровнемеров.

Резонансные уровнемеры

Принцип действия резонансных уровнемеров заключается в возбуж­дении колебаний столба газа над уровнем жидкости и в фиксации резонансной частоты, при которой наблюдается возникновение стоячей вол­ны. Датчик уровнемера (рис. 12) представляет собой трубчатый резона­тор достаточной для образования стоячей волны длины L (L должно быть не менее трех диаметров резонатора и обеспечивать требуемый диа­пазон измерения уровня И). Для возбуждения колебаний резонатора используются магнитоэлектрические преобразователи М — обычно лен­точные микрофоны.

Основные недостатки резонансных уровнемеров — сложность и гро­моздкость конструкции (особенно при больших диапазонах измерений уровня), а также существенное влияние на их показания изменений ско­рости с распространения звука в газовой среде.

Оптические уровнемеры

При измерении уровня жидкостей оптическими методами могут быть использованы различные явления, связанные с прохождением света через среды, образующие поверхность раздела, — отражение или прелом­ление света на поверхности раздела, ослабление его интенсивности в по­глощающей среде и др. Однако на практике наибольшее распространение получили оптические уровнемеры с визуальной фиксацией границы раз­дела жидкость—газ и фотоэлектрические уровнемеры, использующие эффект отражения света от поверхности жидкости.

 

Визуальные уровнемеры представляют собой прозрачные вставки в стенках сосуда или в сообщающихся с сосудом мерных трубках с нане­сенной на них шкалой.

Визуальные уровнемеры — самые простые и в то же время самые точные средства измерения уровня.

При соответствующем диаметре мерной трубки, подсветке поверхности раздела и использовании специ­альных средств отсчета погрешность визуаль­ных уровнемеров при неподвижной поверхности жидкости может быть сведена к десятым и даже сотым долям миллиметра. Вследствие этого они находят широкое применение в поверочных установках с мерными баками, образцовых мерниках. Сложность дистанционных измерений уровня, невозможность использования в системах регулирования авто­матизированными технологическими процессами препятствуют широко­му промышленному применению визуальных уровнемеров.

 

Принципиальная схема фотометрического уровнемера отражения приведена на рис. 13. Световой луч от лампы Л проходит через конден­саторную линзу К и через окно вводится в сосуд. Падая под углом а на поверхность жидкости, свет отражается от нее и попа­дает через оптически прозрачную стенку на протяженный приемник излучения П. Координата приемника у, в которой фик­сируется максимальная освещенность, ха­рактеризует текущее значение уровня.

 

Наиболее существенное влияние на по­грешность оптических уровнемеров ока­зывает состояние поверхности жидкости. Возмущения поверхности, появление на ней пены, крен сосуда искажают результа­ты измерения уровня. Для устранения

(уменьшения) этих влияний используют лазерные источники света, во­локонные световоды и различные компенсационные схемы.

Тепловые уровнемеры

Тепловые уровнемеры основаны либо на использовании различия температур жидкости и парогазовой смеси над ней (дилатометрические уровнемеры), либо различия их теплопроводностей (терморезисторные уровнемеры и уровнемеры ТЭДС).

Дилатометрические уровнемеры

Чувствительным элементом дилатометрического уровнемера (рис. 14) является стержень или трубка, омываемые жидкостью и парогазо­вой смесью. В результате теплообмена между чувствительным элемен­том, жидкостью и газом чувствительный элемент приобретает определен­ную температуру, пропорциональную температурам жидкости и газа, а также текущему значению уровня жидкости в сосуде. Следовательно, при постоянстве температур жидкости и газа средняя температура чувст­вительного элемента будет являться мерой текущего значения уровня.

Дилатометрические уровнемеры применяют при измерении уровня конденсированных жидкостей, т. е. когда температуры жидкости и парогазовой смеси над ней относительно стабильны и при этом значительно разнятся между собой.

Несмотря на простоту и надежность дилатометрические уровнемеры вследствие малых диапазонов измерений (не более 0,75 м) и невысокой точности не получили широкого промышленного применения.