Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Уровнемеры
• 1.1 Основные понятия
• 1.2 Классификация
• 2. Виды уровнемеров
• 2.1 Визуальные уровнемеры
• 2.2 Поплавковые уровнемеры
• 2.3 Гидростатические уровнемеры
• 2.4 Пьезометрические уровнемеры
• 2.5 Электрические уровнемеры
• 2.6 Ультразвуковые уровнемеры
• 2.7 Уровнемеры для сыпучих материалов
• Библиографический список

Введение

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета.

Измерение уровня - довольно распространенный измерительный процесс в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности. Иногда по результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мерные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему значению уровня значение объема резервуара.

1. Уровнемеры

1.1 Основные понятия

Средства измерения уровня называются уровнемерами. Уровнемеры еще называют датчиками (сигнализаторами) уровня или же преобразователями уровня. Однако, главное различие уровнемера и сигнализатора уровня - способность измерять общие градации полного уровня, в отличие от сигнализатора уровня, которые меряет только граничные отметки. Уровнемеры - абсолютно необходимые приборы в современной промышленности и технике.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т.д.).

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.

Принцип действия первичных преобразователей уровнемеров основан на различии физических свойств веществ, образующих границу раздела.

1.2 Классификация

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

Визуальные - являются наиболее простым видом измерителей уровня. Их работа основана на принципе сообщающихся сосудов, а за уровнем жидкости следят напрямую через водомерное стекло.

Механические уровнемеры - в которых отсчет уровня происходит: либо по оценке положения предмета на поверхности жидкости относительно двух точек измерений - это поплавковые уровнемеры; либо по оценке уровня жидкости, вытесненной при погружении предмета (закон Архимеда).

FA = сgV,

где с - плотность жидкости (газа), g- ускорение свободного падения, а V - объём погружённого тела) - буйковые уровнемеры.

Гидростатические уровнемеры - принцип действия основан на уравновешивании давления столба измеряемой жидкости и столба жидкости, которая заполняет измерительный прибор на каком-либо производстве.

Электрические уровнемеры промышленной специализации делятся на емкостные и омические.

Акустические уровнемеры - принцип действия основан на измерении времени отражения звуковых колебаний от поверхности раздела газ - контролируемая среда. Разновидностью акустических уровнемеров являются ультразвуковые уровнемеры.

Наиболее современным является радарный уровнемер. Принцип действия его основан на измерении времени переотражения от поверхности раздела газ - контролируемая среда высокочастотных радиоволн. Последний тип уровнемера позволяет производить измерение уровня, как жидкостей, так и сыпучих тел. При этом его можно использовать и при измерении уровня агрессивных сред, например кислот, расплавленной серы, аммиака и т.д.

По принципу действия эти уровнемеры разделяются на визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные. Радиоизотопные уровнемеры основаны на сравнении интенсивностей потоков a- или b-излучения, проходящих выше либо ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Применение этих приборов целесообразно в случае невозможности использовать иные уровнемеры.

2. Виды уровнемеров

2.1 Визуальные уровнемеры

Визуальные уровнемеры (Рис. 1.) - простейшие измерители уровня жидкости. К технологическому аппарату 1 через запорные вентили 2 подсоединено указательное стекло (трубка 3). Аппарат и трубка представляют собой сообщающиеся сосуды, поэтому уровень H жидкости в трубке всегда равен ее уровню в аппарате и отсчитывается по шкале.

Рис.1. Визуальный уровнемер

При "соответствующем (исключающем влияние мениска) диаметре мерной трубки, подсветке поверхности раздела и использовании специальных средств отсчета (например, катетометров) 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. 139. 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.

Рис. 2. Принципиальная схема фотометрического уровнемера

Аналогичным образом может быть построен и фотоэлектрический уровнемер преломления.

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.

2.2 Поплавковые уровнемеры

уровнемер визуальный жидкость гидростатический

Чувствительный элемент - поплавок, находящийся на поверхности жидкости (Рис. 2. а). Поплавок 1 уравновешивается грузом 3, который связан с поплавком гибким тросом 2. Уровень жидкости определяется положением груза относительно шкалы 4. Пределы измерений устанавливают в соответствии с принятыми значениями верхнего и нижнего уровней.

Значительно надежнее тонущие поплавки - массивные буйки (Рис. 3, б). При изменении уровня жидкости по закону Архимеда изменяется действующая на конец рычага 2 выталкивающая сила (вес буйка 1). Соотв. изменяющийся момент сил, действующих на рычаг 2, от буйка передается через вал 5, закрепленный в донышке 7, на трубку 6 и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручивания трубки пропорционально величине уровня.

Рис. 3. Поплавковые уровнемеры: а - с плавающим поплавком; б - с тонущим поплавком

2.3 Гидростатические уровнемеры

Действие гидростатического уровнемера основано на уравновешивании давления столба жидкости p в аппарате (хранилище) давлением столба жидкости, заполняющей измерит, прибор, или пружинным механизмом

р = Hr,

где r = const- плотность жидкости

При достаточно больших значениях уровня Я и в отсутствие избыточного давления над жидкостью в качестве У. можно применять манометр с трубчатой пружиной, устанавливаемый на отметке т. наз. нулевого уровня (Рис. 4.).

Рис.4. Уровнемер-манометр с трубчатой пружиной

Рис. 5. Дифманометрические уровнемеры: измерение уровня в открытом резервуаре (а) и аппарате, работающем под давлением (б)

Дифманометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в открытых (атм. давление) или закрытых (давление либо разрежение) резервуарах (Рис. 5). Относительно постоянный уровень жидкости в одном из колен измерит, прибора (дифманометра), а следовательно, и в контролируемом аппарате обеспечивается уравнительным сосудом (наполнен до определенного уровня той же жидкостью, что и в аппарате). Высота столба жидкости в др. колене дифманометра изменяется с изменением уровня в аппарате. Каждому значению уровня в нем отвечает некоторый перепад давления, обусловленный расстоянием по высоте между аппаратом и прибором. Если аппарат работает при атм. давлении, уравнительный сосуд размещают на отметке нулевого уровня (Рис. 5, а), если под давлением - на высоте макс. уровня (Рис. 5, б).

2.4 Пьезометрические уровнемеры

Пьезометрические уровнемеры (Рис.6) основаны на принципе гидравлического затвора (обычно водяного). Для измерения уровня используют воздух или инертный газ, который под давлением р продувают через слой жидкости (рх - давление над ней). Кол-во воздуха ограничивают диафрагмой 1 или регулирующими вентилями 2 так, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимальна (с целью уменьшения потерь на трение). Для контроля расхода воздуха устанавливают спец. стаканчики 3 или ротаметры. Уровень жидкости

H=(р-рx)/pж,

где рж - плотность замыкающей жидкости в дифманометре. Перепад давления (р-рх) определяется по высоте столба жидкости h в манометре. В случае измерения уровня агрессивных жидкостей необходимо подводить воздух в обе линии, подсоединяемые к дифманометру. Пьезометрические приборы широко применяются для измерения уровня жидкости в подземных резервуарах.

Рис.6. Пьезометрические уровнемеры для неагрессивных(а) и агрессивных(б) жидкостей под давлением.

2.5 Электрические уровнемеры

В электрических уровнемерах (Рис. 7) измеряемые значения уровня жидкости преобразуются в соответствующие электрические сигналы. Наиболее распространены емкостные и омические приборы.

Емкостные уровнемеры. (Рис. 7, а) Вместе со стенками сосуда 1 электрод 2 образует чувствительный элемент - цилиндрический конденсатор, электрическая емкость которого изменяется пропорционально уровню жидкости. Емкость измеряется электронным блоком 3, сигнал из которого поступает в блок 4, представляющий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достижения определенного уровня) или указывающий прибор (в схемах измеренного уровня).

Омические (кондуктометрические) уровнемеры (Рис. 7, б) основаны на измерении сопротивления при замыкании электрической цепи, образованной электромагнитным реле 1, электродом 2 и контролируемой средой (уровень У) электропроводностью от 2·10~3 См.

Рис. 7. Электрические уровнемеры: а - емкостный; б - омический

2.6 Ультразвуковые уровнемеры

В ультразвуковых уровнемерах (Рис. 8.) используется явление отражения ультразвуковых колебаний (импульсов) от плоскости раздела жидкость-газ (обычно воздух). Время между моментом посылки первичного импульса и моментом возвращения отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня. Эти приборы позволяют измерять уровень без контакта с контролируемой средой в труднодоступных местах.

Рис. 8. Ультразвуковой уровнемер: 1, 2 - генераторы, управляющий и импульсов; 3 - пьезоэлектрический излучатель; 4 - усилитель импульсов; 5 - измеритель времени; 6 - вторичный прибор.

2.7 Уровнемеры для сыпучих материалов

Уровнемеры для сыпучих материалов, уровнемеры для сыпучих тел имеют свои особенности. Характерным отличием сыпучих материалов от жидкостей является непропорциональность передачи давления на дно и стенки емкости в зависимости от уровня в ней контролируемого вещества. Простейшие уровнемеры для сыпучих материалов выполняются с чувствительными элементами, соприкасающимися с поверхностью вещества. Изменение уровня дистанционно передается на вторичный измерительный прибор.

Наиболее, распространены лотовые уровнемеры (Рис. 9). В них зонд (лот) 5 и груз 7 подвешены на блоке храпового колеса 4. Зонд периодически приподнимается с помощью управляемого пневматическим генератором импульсов пневматического мембранного привода 2 (воздействующего на колесо через собачку 3) и опускается на поверхность сыпучего материала 6 под действием силы тяжести. Если уровень не изменяется, зонд поднимается и опускается на одно и то же расстояние. При понижении уровня материала зонд опускается на большее расстояние, чем поднимается, и наоборот. У. должен работать так, чтобы при изменении уровня в заданных пределах давление сжатого воздуха на выходе прибора изменялось от 20 до 100 кПа. С выхода пневмопреобразователя 8 воздух подается на вторичный прибор. Лотовые У. позволяют измерять уровень до 20 м. В меньшей степени для определения уровня сыпучих материалов применяют также поплавковые, массовые, электрические (емкостные) и радиоизотопные уровнемеры.

Рис.9. Лотовый уровнемер: 1- пневматический генератор импульсов; 2- мембранный привод; 3 - собачка; 4 - храповое колесо; 5- зонд (лот); 6 - сыпучий материал; 7 - груз; 8 - пневмопреобразователь; 9- манометр.

Гидростатические датчики уровня измеряют давление жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от уровня и плотности жидкости, но не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления, к которым подается давление среды и для сравнения второй вход соединяется с атмосферой или с областью избыточного давления в случае емкости под давлением. Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в резервуарах без существенного движения жидкости и могут использоваться для вязких жидкостей, суспензий и паст.

Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и погружные. В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится в нижней части резервуара, при этом расположение мембраны датчика соответствует минимальному уровню. В случае погружного датчика мембрана находится в жидкости и передает давление на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке. Гидростатические уровнемеры обеспечивают высокую точность при невысокой стоимости и простоте конструкции.

Ультразвуковые уровнемеры зондируют рабочую зону волнами ультразвука, т.е. волнами давления с частотой свыше 20 кГц. Конструктивно такой уровнемер состоит из излучателя и приемника колебаний, выполненных на кварцевой пластине, на которой измеряется напряжение отражённого сигнала. Ультразвуковой датчик устанавливается в верхней части резервуара. При этом сигнал проходит через воздух и отражается от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим.

Скорость распространения ультразвука зависит от температуры, поэтому применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Рабочий диапазон достигает 25 м при погрешности измерения в 1%. Ультразвуковые уровнемеры могут использоваться для агрессивных сред и для сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихся жидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучих продуктов.

Радарные уровнемеры

Радарные уровнемеры - это наиболее высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В непрерывных уровнемерах идёт как излучение частотно модулированного сигнала, так и одновременно прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. На выходе получается смешаный сигнал, который анализируется с применением специального ПО. Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал с паузами, в которых прием происходит отраженного сигнала. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до поверхности.

Уровень жидкости измеряется посредством коротких радарных импульсов, передаваемых от излучателя с антенной, которые находятся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости. Когда радарный импульс достигает поверхности среды, часть энергии рассеивается в среде, а часть отражается обратно в уровнемер. Время задержки между излучением и приемом отраженного эхо 1сигнала пропорционально расстоянию, на основе которого рассчитывается уровень. Интеллектуальная технология обработки эхо 1 сигнала обеспечивает высокоэффективное подавление ложных отражений, а также шумов и помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта, загрязнениями антенны и прочими факторами, негативно влияющими на качество измерений. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень.

Рис.10. Радарный уровнемер

Радарные уровнемеры не имеют непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их отличает меньшая чувствительность к температуре и давлению, а также устойчивость к запыленности, испарению, пенообразованию. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность, что позволяет использовать их в системах коммерческого учета, они позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара.

Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала. Рупорная антенна применяется в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35…40 м. Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения - до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции. Трубчатая антенна представляет собой удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью.

Кондуктивные зонды работают на электропроводящих жидкостях. При погружении зонда в жидкую среду обнаруживается электрическое сопротивление продукта, между электродами протекает малый переменный ток, который измеряется встроенной электроникой, и это измерение преобразуется в команду переключения выходного реле. Сигнал переключения определяется монтажным положением или длиной электрода. Благодаря простоте обслуживания и надежности эксплуатации кондуктивные зонды могут применяться для защиты от переполнения и сухого хода, а также для управления насосами в любых отраслях промышленности.

Библиографический список

1. Кулаков M.В. Технологические измерения и приборы для химических производств, 3 изд., M., 1983;

2. Шкатов E.Ф., Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности, M., 1986..

3. https://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru