Тема №13. Датчики уровня раздела двух сред.

Измерение и контроль уровня жидких и сыпучих материалов - одна из частных задач, решаемых при автоматизации технологических процессов. Свойства материалов определяют конструкцию датчиков уровня, применяемых для этой цели.

Практически измерение уровня применяют в двух случаях. В одном случае оно осуществляется в широких пределах, определяемых геометрическими размерами емкости. Например, это имеет место при измерении уровня в резервуаре от верхнего края до дна. Во втором случае измерение уровня осуществляется в узких пределах, составляющих обычно ± 100...200 мм. По этому признаку уровнемеры можно разделить на две основные группы: приборы широкого и узкого диапазона измерений.

Существенное влияние на конструкцию уровнемеров оказывает их размещение по высоте относительно места измерения уровня. Различают уровнемеры, расположенные ниже измеряемого уровня и выше его.

Уровнемеры могут быть показывающие, регистрирующие и сигнализирующие. Каждый из этих приборов может быть, в свою очередь, с местным показанием результатов измерения или с дистанционной их передачей.

По способу измерений уровнемеры можно разделить на три основные группы: поплавковые; гидростатические уровнемеры, действие которых основано на измерении статического давления слоя жидкости или перепада уровней; электрические разных типов.

Промышленность выпускает большое число уровнемеров для различных условий измерения.

Поплавковые уровнемеры получили широкое распространение благодаря простоте устройства. Основным элементом их является поплавок, плавающий на поверхности жидкости.

4

Рис. 1.

В поплавковых (буйковых) приборах чувствительным элементом служит поплавок постоянного 2 или переменного 4 погружения разнообразных форм (шаровые, полушаровые, биконические и т. п.). Важной конструктивной проблемой является передача сигнала - перемещения поплавка - за пределы сосудов, особенно герметических. Часто узлы выполняются в виде сильфонов 1 и гибких мембран 3.

Для примера непрерывный контроль за изменением уровня жидкости в открытом резервуаре с сигнализацией заданных предельных положений уровня может осуществляться с помощью прибора РП-1065 (рис. 57). Уровнемер состоит из поплавка 1 и противовеса 3. Переключение контактов предельного положения уровней происходит с помощью коромысла 2, на которое воздействуют укрепленные на тросе упоры. Прибор выпускается в двух модификациях: РП-1065-0 - в качестве реле двух положений уровня и РП-1065-1 - непрерывного контроля уровня. Во втором случае в комплект кроме показанного на рисунке входит вторичный прибор сельсинного типа со шкалой и стрелкой, указывающей изменение уровня. Шкала может градуироваться в пределах от О до 6 м.

Рис. 2.

Разработаны уровнемеры, поплавок которых имеет магниты. При перемещении поплавка магниты переключают герметизированные магнитоуправляемые контакты, которые разрывают или замыкают цепи управления и сигнализации.

Для контроля уровня в закрытых резервуарах выпускается поплавковое реле уровня СУ-1 и СУ-3 с ходом поплавка до 150 мм.

Гидростатические уровнемеры измеряют уровень в зависимости от изменения статического давления столба воды. Существует ряд конструкций таких уровнемеров мембранного и сильфонного типа. Можно использовать также дифманометры, если уровнемер можно расположить ниже измеряемого уровня. В этом случае плюсовый сосуд дифманометра присоединяется к днищу закрытого резервуара (рис. 3, б), в котором измеряется уровень. К минусовому сосуду дифманометра присоединяется уравнительный сосуд, располагаемый таким образом, чтобы уровень жидкости в нем соответствовал максимальному уровню жидкости в резервуаре. Тогда дифманометр будет измерять перепад или разность уровней в резервуаре и уравнительном сосуде. При измерении уровня в открытом резервуаре уравнительный сосуд устанавливают на отметке минимального уровня (рис. 3, а), верхняя часть сосуда сообщается с атмосферой, предусматриваются сливные краны.

 

Рис. 3.

Для измерения уровня в резервуарах, расположенных ниже места установки уровнемера, можно использовать приборы, схема которых показана на рис. 4.

На рис. 4, а показана схема измерений с помощью колокола, погруженного в резервуар и соединенного тонкой трубкой с манометром, градуированным в единицах уровня. Нижняя часть колокола закрывается гибкой мембраной во избежание растворения воздуха в воде, что приводит к погрешностям измерения. Прогиб мембраны изменяет объем воздуха, заключенного в колоколе и соединительной трубке, создавая повышенное давление, которое измеряется манометром.

Рис. 4.

На рис. 4, 6 показана схема пневмометрического уровнемера. Трубку 1 измерителя 2 погружают в емкость почти до самого дна. Через эту трубку непрерывно продувается сжатый воздух с постоянным давлением и расходом, что обеспечивается редуктором 3. Давление воздуха, поступающего в трубку, должно превысить давление, создаваемое столбом жидкости при наивысшем положении уровня над отверстием трубки, иначе при повышении уровня сжатый воздух не выйдет из полости трубки.

В основу этого метода измерения уровня положена строгая закономерность: давление воздуха Р в трубке равно длине погруженной части трубки Н, умноженной на удельный вес жидкости. Давление Р, создаваемое в полости трубки, измеряется манометром 2, шкала которого градуирована в единицах высоты уровня. Понижение уровня жидкости приводит к снижению давления в трубке из-за уменьшения сопротивления столба жидкости.

Электрические уровнемеры составляют значительную группу приборов, чувствительные элементы которых основаны на преобразовании различных электрических и физических свойств воды в соответствующую величину ее уровня.

Рис. 5.

Действие электроконтактных приборов 8 основано на различии в электропроводности сред, тепловых 9 - теплопроводности сред, например, теплоотдачи терморезистора, находящегося в воде α₂ или в воздухе α₁.

В уровнемерах излучения используется различие в плотности сред, образующих границу раздела. Это радиоактивные (гамма-излучение), фотоэлектрические, ультразвуковые приборы бесконтактного контроля, состоящие из источника излучения 10 и приемников-регистраторов 11.

В качестве примера приведем электрический электродный сигнализатор уровня типа ЭРСУ-2 предназначен для сигнализации 2...3 уровней. Принципиальная электрическая схема прибора приведена на рис. 6. В этой схеме к каждому отдельному датчику подключается реле постоянного тока, которое служит для контроля одного уровня: реле Р₁, - для нижнего, Р₂, - для верхнего и Р₃, - для аварийного уровня. Аварийный уровень может быть выше или ниже контролируемого диапазона. Если аварийный уровень принят ниже контролируемого, то переключатель В устанавливается в правое положение, если выше - в левое.

 

 

Рис. 6.

Световая сигнализация контролируемых уровней Л₁, Л₂ и Л₃ разомкнута и через размыкающий контакт Р₁ включена красная лампа Л₁. Когда горизонт находится между контролируемыми уровнями замкнута цепь реле Р₁ и через замыкающий контакт Р₁ и размыкающий контакт Р включена зеленая лампа Л₂. При повышении уровня до верхней контролируемой отметки У₁, включается желтая лампа Л₂.

В тех случаях, когда стенки резервуара не могут быть использованы в качестве заземляющего электрода, устанавливают дополнительный электрод, присоединив его к зажиму Э релейного блока.

Реле питается постоянным током от обмотки трансформатора Тр через выпрямитель Д1 - Д4 с конденсатором С, выполняющим роль фильтра; световая сигнализация питается переменным током от отдельной обмотки трансформатора.

Значительно труднее измерить уровень сыпучих и кусковых материалов, так как они не образуют горизонтальной поверхности в емкости, поведение их не подчиняется закону Паскаля, эти материалы могут залипать у стенок или образовывать своды, ультразвук не проходит через толщу таких материалов, возможны повреждения датчиков при загрузке и разгрузке.

Указанные трудности ограничивают число возможных принципов, которые могут бытьиспользованы для создания таких датчиков. Датчики уровня сыпучих материалов можно разделить на два класса. Датчики первого класса предназначены для непрерывного слежения за уровнем материала в емкости. Ко второму классу относятся датчики, дающие сигнал при достижении сыпучими материалами заданного уровня.

К датчикам первого класса относятся поплавковый, лотовый и с тормозящей крыльчаткой. Датчик с тормозящей крыльчаткой (рис. 3) работает следующим образом.

Рис. 3.

Валик 1 с многозаходной резьбой непрерывно вращается электродвигателем М через червячную пару 2. На валике сидит гайка 3, к которой жестко прикреплена крыльчатка 4. Так как резьба на валике несамотормозящаяся, то гайка с крыльчаткой под действием массы опускается вниз до тех пор, пока крыльчатка не коснется поверхности материала. Из-за этого она тормозится и начинает навинчиваться на резьбу вращающегося валика до тех пор, пока не выйдет из соприкосновения с материалом. Гайка 3через рычаг 5 связана с реостатным преобразователем перемещения, сопротивление которого является функцией уровня сыпучего материала.

Рис. 4.

Существуют автоматические системы слежения за уровнем с использованием, ионизирующих излучений. Применение γ - излучений позволяет измерять уровни сыпучего материала или жидкости без непосредственного контакта с ними. Наиболее точными считаются следящие системы. Источником γ -излучений в такой системе (рис. 4) являются-Со⁶⁰ или Cs¹³⁷

Источник И и приемник П излучений располагаются диаметрально противоположно друг другу относительно емкости с сыпучим материалом или жидкостью. Поток γ - излучений, попадая в приемник, создает ток. Он усиливается усилителем У и подается на реверсивный двигатель М, который посредством механической передачи перемещает одновременно источник и приемник излучения по вертикали так, что они находятся на одном уровне. Вращение двигателя направлено так, чтобы источник и приемник опускались, пока среда в емкости не перекроет поток γ - излучения. Это уменьшит ток приемника, и усилитель подаст управляющее воздействие на реверсирование двигателя. После этого источник и приемник будут перемещаться вверх до тех пор, пока поток γ - излучений не выйдет из среды в емкости и не попадет на приемник, а двигатель станет вращаться в обратную сторону. Вал двигателя через редуктор связан с указателем, что позволяет иметь визуальную информацию о заполнении емкости.

Датчики второго класса часто называют реле уровня. Они выдают сигналы при достижении уровнем материала заданного значения. Существует ряд систем таких реле, к которым относятся реле с тормозящей крыльчаткой, маятниковое реле уровня, мембранные реле уровня и др.

Для системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в емкостях чаще применяется мембранное реле уровня (рис. 5).

Рис. 5.

Мягкая мембрана крепится в стенке емкости, в которой хранится материал. Когда уровень материала достигнет мембраны, она деформируется и воздействует на механическую систему, которая может размыкать или замыкать пару контактов, подавая тем самым сигнал на систему контроля или управления оборудованием для подачи материала в емкость.