Измерение уровня

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой - жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления технологическим процессом.

Путем измерения уровня можно получить информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют уровнемерами.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений - сигнализаторы уровня

По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазона. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0.5 ч 20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона (пределы измерений 0 ч ± 100 мм и 0 ч ± 450 мм) обычно используются в системах автоматического регулирования.

В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и радиоизотопные. Применяются и визуальные средства измерений.

Визуальные средства измерений уровня

буйковый гидростатический измерение уровень

К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные линейки, рейки, рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла.

В производственной практике широкое применение получили уровнемерные стекла. Измерение уровня с помощью уровнемерных стекол (рис. 1а.) основано на законе сообщающихся сосудов. Указательное стекло 1 с помощью арматуры соединяют с нижней и верхней частями емкости. Наблюдая за положением мениска жидкости в трубе 1 судят о положении уровня жидкости в емкости.

Для исключения дополнительной погрешности, обусловленной различием температуры жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением осуществляют промывку уровнемерных стекол. Для этого предусмотрен вентиль 2. Арматура уровнемерных стекол оснащается предохранительными клапанами, обеспечивающими автоматическое перекрывание каналов, связывающих указательное стекло с технологическим аппаратом при случайной поломке стекла. Из - за низкой механической прочности уровнемерные стекла обычно выполняют длиной не более 0.5 м. поэтому, для измерения уровня в резервуарах (рис. 1.), устанавливается несколько уровнемерных стекол с таким расчетом, чтобы они перекрывали друг друга. Абсолютная погрешность измерения уровня уровнемерными стеклами ±(1 - 2) мм. При измерении возможны дополнительные погрешности, связанные с изменением температуры окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются до давлений 2.94 МПа и до температуры 300 ⁰С.

Поплавковые средства измерения уровня

Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рис.2.) обычно представляют собой устройства, содержащие 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 измерительного прибора, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы. Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые *(рис. 2а.) и камерные (рис. 2б.), отличающиеся способом их установки на технологических аппаратах.

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

Класс точности 1.5. поплавковые уровнемеры широко диапазона (рис. 2в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким торосом 2. в нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок - противовес» только при определенной глубине погружения поплавка.

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

G_r = G_п - Sh₁с_жg,

где G_r, G_п - силы тяжести противовеса и поплавка; S- площадь поплавка, h₁- глубина погружения поплавка, с_ж- плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину 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 не станет равной h₁. для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуаре применяют сельсинные системы передачи минимальный диапазон измерений 0 -12 м, максимальный 0 - 20 м. абсолютная погрешность измерения ±4 и ±10 мм.

Буйковые средства измерения уровня

Средства измерений уровня этого вида входят в номенклатуру приборов ГСП.

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью большей плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила - давление» и «сила - ток». В соответствии с видом используемого преобразователя силы различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на (рис.3а). Уровнемер работает следующим образом. Кода уровень жидкости в аппарате равен начальному h₀ (в частном случае он может быть равен 0), измерительный рычаг 2 находится в равновесии, т.к. момент М₁, создаваемый весом буйка G, уравновешивается моментом М₂, создаваемым противовесом N.

Когда уровень жидкости становится выше h₀, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается следовательно уменьшается и момент М₁, создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М₂ становится больше М₁, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8. поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот де сигнал одновременно посылается в сильфон отрицательной обратной связи 5. При действии давления Р_вых возникает сила R, момент М₃ которой совпадает по направлению с моментом М₁, т.е действие силы R направлено на восстановление равновесия рычага 2. движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2 не станет равной нулю, т.е.

М₁ + М₃ - М₂ = 0

Подставляя моменты М₁, М_2,М₃ в виде произведений соответствующих сил и плеч получим

G l₁ + R l₃ = N l₂,

где G - вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h;

l₁,l₂,l₃- плечи соответствующих сил относительно точки О;

R- сила, развиваемая сильфоном 5;

N- вес противовеса.

Силы G и R определяем из следующих выражений:

Гидростатические средства измерения уровня

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности с, согласно равенству:

P = сgH

Измерение гидростатического давления осуществляется:

· Манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

· Дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и газовому пространству над жидкостью;

· Измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние.

На рис 4а. приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (1). Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на рис. 1б. Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему.

В нижней части манометрической системы расположен колокол 2, отверстие которого перекрыто тонкой эластичной мембраной 1, а в верхней - манометр 3. Применение эластичной мембраны исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение уровня из - за упругости мембраны. Преимуществом данной схемы измерения гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположения относительно уровня жидкости в резервуаре.

При измерении уровня жидкости по рассматриваемым схемам имеют место погрешности, определяемые классом точности манометра и изменениями плотности жидкости.

Рис.4. схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами.

Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений.

Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры. С помощью дифференциальных манометров возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей.

Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением, осуществляется по схеме, представленной на рисунке 4в. Дифманометр 1 через импульсные трубки 2 соединен с резервуаром и уравнительным сосудом 3. Уравнительный сосуд применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h₁ в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде должен быть постоянным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде 3. при равенстве плотностей жидкостей, заполняющих импульсные трубки и резервуар, при условии h₁ = h₂ перепад давления, измеряемый дифманометром,

ДP = с_жgh.

При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рис 1г. уравнительный сосуд 3 в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня и соединяют с аппаратом. Статистическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки, поэтому измеряемый перепад давления ДР можно представить в виде

ДР = с_жgh_max - с_жgh.

При h = 0 ДP = ДP_max, а при h = h_max ДP = 0.

Как следует из уравнения (2),шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной. В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом.

Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к резервуару осуществляется через разделительные сосуды.

Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, подкачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рис. 1д. пьезометрическая трубка 1 располагается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ поступает в трубку через дроссель 2, служащий для ограничения расхода. Для измерения расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу пузырьков, пробулькивающих через заполняющую его жидкость в единицах времени), а давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4 давление газа после дросселя измеряется дифманометром 5 и служит мерой уровня.

При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно 1 пузырек в секунду).

При очень большом расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько больше, чем гидростатическое, из-за дополнительного падения давления, возникающего за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа увеличивается инерционность измерения. Оба фактора могут увеличивать погрешность измерения уровня.

Электрические уровнемеры

В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в электрический сигнал. Наиболее распространены емкостные и омические уровнемеры.

Работа емкостных уровнемеров основана на том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.

Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис 5. в сосуд с жидкостью 1, уровень которой необходимо измерить, опущен электрод 2, покрытый изоляционным материалом. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется при колебаниях уровня жидкости. Величина емкости изменяется при колебаниях уровня жидкости величина емкости измеряется электродным блоком 3, который дает сигнал в блок 4, представляющий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достижения определенного уровня) или указывающий прибор (в схемах измерения уровня).

Принцип действия омических сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи, обладающей определенным омическим сопротивлением (растворы кислот и щелочей).

Рис.5. Схемы включения уровнемеров: а, б, в- емкостного уровнемера; г- омического уровнемера

Практически омические сигнализаторы уровня могут быть применены для сред с проводимостью от 2*10^-3 См и выше.

Прибор представляет собой электромагнитное реле, которое включается в цепь, образующуюся между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различными (рис 5) в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней.

Ультразвуковые уровнемеры и акустические

Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерить уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуковых волн от границы раздела жидкость - газ (воздух).

На рис.6. показана блок - схема ультразвукового уровнемера, работающего на отражении звука от границы сред. Прибор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора (автоматического потенциометра).

Электронный блок ЭБ состоит из генератора 1, генератора задающего частоту повторения импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4 и измерителя времени 5 генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Частота импульсов 300 Гц. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раздела жидкость - воздух, возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель и преобразуется в электрический. Оба импульса, посланный и отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель.

Время ф между моментом посылки импульса и моментом поступления отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня, т.е.

ф = 2Н/с

где Н - высота измеряемого уровня;

с - скорость распространения ультразвука в измеряемой среде; при любой температуре воды скорость распространения ультразвука с = 1557 - 0.0245(74 - t^o)².

Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания отраженного сигнала (уровню), получаемое в измерителе времени, подается на вторичный прибор 6.

Измерение уровня сыпучих тел

Характерным отличием сыпучих тел от жидких, является непропорциональность передачи давления на дно и стенки сосуда в зависимости от уровня.

На рис.6. показан указатель уровня с металлической мембраной. Он состоит из металлической мембраны 1 с закрепленным по центру металлическим штоком 2. При прогибе мембраны шток воздействует на контактное устройство 4. на кронштейне 4 закреплена возвратная пружина 5. Для регулирования натяжения возвратной пружины служит винт 6. Изолятор 7 крепится в корпусе сигнализатора 8. при понижении уровня возвратная пружина 5 возвращает мембрану и контактное устройство в исходное положение.

Свойство сыпучих материалов образовывать при насыпании угол естественного откоса позволило создать серию маятниковых приборов, работающих на принципе отклонения материалом чувствительного элемента, выполняемого в виде маятника с жесткой или грубой подвеской. На рис.2. показан указатель предельного уровня сыпучего материала. При повышении уровня в бункере 1 уровня сыпучего материала 2 с углом естественного откоса чувствительный элемент 3 отклоняется от вертикального положения и замыкает контактную схему 4 включения световой сигнализации 5.общим недостатком всех указателей уровня маятникового типа является их зависимость от способа загрузки сосуда (бункера) материалом. Например, при беспорядочной загрузке, когда материал может обтекать маятник со всех сторон, может не произойти ожидаемого отклонения маятника.

В качестве первичного преобразователя уровнемера, работающего на весовом принципе, можно использовать месдозу. Месдоза представляет собой металлический кожух с закрепленной в нем мембраной. Нижняя часть месдозы заполнена жидкостью, сообщающейся с манометром через импульсную трубку. При изменении веса материала в бункере изменяется давление в системе месдоза - манометр. Недостатком данного принципа измерения является необходимость в некотором перемещении опоры бункера (от 1 до 3 мм) погрешность измерения достигает 10%.

Размещено на Allbest.ru