Методы и средства измерений уровня сред

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и средства измерений уровня сред

Классификация СИ уровня. Визуальные и поплавковые уровнемеры жидких сред

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой--жидкостью или сыпучим телом. Уровень измеряют в единицах длины.

Средства измерений уровня называют уровнемерами.

Наиболее распространенные методы измерения уровня, позволяющие преобразовывать значение уровня в электрические величины и производить автоматизацию производственных процессов это:

Визуальный:

- Указатель уровня;

- Крючкообразный индикатор;

- Смотровое стекло;

Поплавковый:

-Поплавок на тросике;

- Потенциометрический поплавковый датчик;

- Магнитный поплавковый датчик;

По перемещению:

- Датчик с пружинными весами;

- Торсионный трубчатый датчик;

По давлению:

- Датчик давления;

- Пузырьковый метод;

Весовой:

- Динамометрические элементы;

Электрический:

- Индикатор уровня по проводимости;

- Датчик сопротивления;

- Емкостной датчик;

Ультразвуковой:

- Эхолокационная;

Радиационный:

-Поглощение излучения;

Тепловой:

- Элемент с нагреваемой проволочкой;

- Термистор.

Визуальные методы

К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные линейки, рейки, рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла. Визуальные методы основаны на визуальном наблюдении уровня по определенной шкале. Для таких методов требуется время для считывания показаний, но их точность достижима на уровне ±1%.

Рис. 1 - Указатель уровня

Указатель уровня

Характеристики: простой, дешевый, не непрерывный метод фиксации для жидкостей.

Указатель уровня (рис. 1) является простым и дешевым методом определения уровня жидкости в сосуде, например уровня масла в двигателе автомобиля. Он представляет собой простой стержень, который держится вертикально и в определенном положении в жидкости. Стержень затем вынимается и по оставшейся отметке от жидкости на нем определяется положение уровня. Указатель уровня имеет то неудобство, что должен выниматься и проверяться для считывания его показания.

- Крючкообразный индикатор

Рисунок 2 - Крючкообразный индикатор

Характеристики: простой, дешевый метод для небольших изменений уровня жидкости.

Положение вершины крючка подстраивается при помощи винта, пока она не начинает только выступать над поверхностью жидкости. Количество оборотов винта является мерой уровня жидкости.

Поплавковые методы

Поплавковым уровнемером называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести G и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера. Если пренебречь силой сопротивления кинематики и выталкивающей силой газовой фазы, то действующие на поплавок силы связаны уравнением



G = Vжсжg, (1)

где Vж -- объем погруженной части поплавка, сж -- плотность жидкости.

Объем Vж однозначно определяет глубину погружения (осадка) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Дсж изменяется объем погруженной части на ДVж, что приводит к изменению осадка, т.е. к появлению дополнительной погрешности. Выражение для ДVж можно получить в виде

ДVж = (дVж /дсж)Дсж = -Vж(Дсж/сж). (2)

Таким образом, объем погруженной части Vж, а, следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для снижения этой погрешности целесообразно уменьшить осадку поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо облегчением поплавка.

Рисунок 3 - Схема поплавкового уровнемера ПМП: 1 - корпус; 2 - кабельный вывод; 3 - зонтик; 4 - стопорное кольцо; 5 - постоянный магнит; 6 - поплавок; 7 - направляющая трубка; 8 - герконовое реле



В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью гибкой механической связи. Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Сила сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера. Такая конструкция имеет большой диапазон измерения, но не обеспечивает хорошей герметизации резервуара, поэтому используется только при небольшом избыточном давлении или разрежении и невысоких температурах контролируемой среды. Примером такого уровнемера являются уровнемеры типа УДУ. Они предназначены для измерения уровня нефтепродуктов с температурой (-50...50) °С, в интервале избыточных давлений (-1,5...3) кПа. Диапазоны измерения 0...12 или 0...20 м, основная погрешность ±4 мм.

При более высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером таких приборов являются магнитные уровнемеры типа ПМП (рис.3) НПП «СЕНСОР».

По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок 6 с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. При диапазоне измерения от 0,5 до 6 м высота уровня измеряется с дискретностью 5 мм. При определении массы для учета изменения плотности жидкости в преобразователе производится измерение температуры. Эти преобразователи могут иметь в качестве выходной величины изменение сопротивления, токовый сигнал 4...20 мА или цифровой. Магнитные поплавки входят в состав ультразвуковых уровнемеров.

- Магнитный поплавковый датчик

Характеристики: может использоваться с агрессивными жидкостями и в более широком диапазоне температур.

Рисунок 4 - Магнитный поплавковый датчик

Рисунок 5 - Принцип действия поплавкового выключателя

Магнитный поплавковый датчик имеет поплавок торообразной формы из магнитного материала, который скользит вверх и вниз вокруг герметизированной от жидкости трубки. В трубке находится постоянный магнит, который может перемещаться вверх и вниз вслед за поплавком (рис. 4). Этот магнит соединен с концом рычага, движение которого вверх и вниз перемещает стрелку по шкале. Преимущество такой конструкции в том, что «поплавковое» устройство внутри трубки не контактирует с жидкостью, и поэтому не требуется герметично заделывать ось поплавка. Следовательно, такие датчики особенно полезно применять для агрессивных жидкостей.

Поплавковые выключатели

Поплавковые выключатели используются для сигнализирования о предельных значениях уровня жидкостей. Они обладают необходимой плавучестью, позволяющей им в незакреплённом состоянии находиться на поверхности жидкости в строго горизонтальном положении. В конкретных применениях поплавковый датчик закрепляется посредством собственного кабельного зажима на высоте, соответствующей предельному уровню жидкости. Процесс переключения запускается качанием датчика, когда он отклоняется от горизонтального положения в любом направлении, как это представлено на рис. 5. В качестве коммутационных устройств часто применяются жидкометаллические микровыключатели, в которых в настоящее время вместо ртути используется галинстан (Galinstan -- жидкий металлический сплав, включающий галлий, индий и олово и сохраняющий жидкое состояние при температурах выше -- 19°С).

Поплавковый выключатель состоит из корпуса поплавка, со встроенным микровыключателем и присоединительного кабеля.

Современные поплавковые датчики используют три разновидности не содержащих ртути коммутационных устройств:

1. Шаровой микровыключатель с определением положения на основе индуктивного метода (рис. 6 а):

* пригоден для применения во взрывоопасных зонах класса 1;

* номинальное напряжение 8В;

* подключается через барьер безопасности с гальванической изоляцией;

* угол срабатывания ±12° относительно горизонтальной плоскости.

2. Шаровой концевой микровыключатель (рис. 6 б):

* тип выхода - коммутируемые каналы;

* непосредственно подключается к входу измерительного преобразователя, не требует дополнительных средств сопряжения;

* коммутируемое напряжение 250В переменного/постоянного тока, коммутируемый ток до 3А (1А);

* угол срабатывания +18±6°(верхняя точка), +5±3°(нижняя точка) относительно горизонтальной плоскости.

3. Микровыключатель, использующий жидкий металлический сплав Galinstan (рис. 6 в):

Рисунок 6 - Устройство поплавковых выключателей

* коммутируемое напряжение 250В переменного тока (150 В постоянного тока), коммутируемый ток до 4 А;

* тип выхода-- коммутируемые контакты;

* подключается непосредственно ко входу измерительного преобразователя, не требует дополнительных средств сопряжения;

* угол срабатывания: ±5° относительно горизонтальной плоскости.

В качестве поплавков применяют преимущественно полые шаровидные или сфероцилиндрические тела, выполненные из полипропилена, устойчивого к воздействию неконцентрированных кислот и щелочей, большинства растворителей, спирта, бензина, воды. Датчики имеют выходные контакты с коммутируемым напряжением 20...264 В переменного тока или 6...60 В постоянного тока.

Основные достоинства:

простота;

прочность;

невысокая стоимость.

Недостатки:

непригодны для клейких жидкостей;

проблемы с плещущимися жидкостями;

плавучесть зависит от размеров поплавка;

точка срабатывания зависит от изменений (колебаний) плотности вещества.

Рисунок 7 - Расчетная схема буйкового уровнемера

Буйковые уровнемеры. Гидростатические СИ уровня.

Буйковыми уровнемерами называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) - буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 7).

Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (таким элементом является пружина). Увеличивая уровень на h от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х<h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h-х):

хс = (h-х)сжgF-(h-х)сгgF, (3)

где с -- жесткость подвески; сж, сг -- плотность жидкости и газа; F-- площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

уровнемер измерение указатель

x = h/(1 + с(сж - сг)gF). (4)

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.

Гидростатические средства измерений уровня

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

(5)

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 к газовому пространству над жидкостью;

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

Рисунок 8 - Схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами

На рис. 8, а приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (5). Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на (рис. 8, б). 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 по рассмотренным схемам имеют место погрешности измерения, определяемые классом точности манометров и изменениями плотности жидкости. Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений.

Электрические СИ уровня. Акустические уровнемеры. Радиоизотопные уровнемеры

По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

Емкостные уровнемеры. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. В номенклатуру средств измерений уровня ГСП входят емкостные уровнемеры с коаксиально расположенными электродами. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами жидкости. Для неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей - жидкостей, имеющих удельную электропроводность менее 10-6 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схемы которого представлены на (рис. 9).

Чувствительный элемент (рис. 9, а) состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, а пространство Н -- h -- парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.



Рисунок 9 - Схемы электрических средств измерений уровня

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением

(8)

где е -- относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; е0 -- диэлектрическая проницаемость вакуума; Н -- высота электродов; D, d -- диаметры соответственно наружного и внутреннего электродов. Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное пространство которого заполняется веществами, обладающими различными диэлектрическими проницаемостями, как показано на (рис. 9, а), полная емкость Сп определяется выражением:

Сп = Со + С1 + С2, (9)

где Со -- емкость проходного изолятора; С1 -- емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью; С2 -- емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью.

С учетом уравнения (8) полную емкость чувствительного элемента представим в виде



. (10)

Так как для паров жидкости и газов ег ? 1, а Со -- величина постоянная, уравнение (10) можно преобразовать следующим образом:

. (11)

Уравнение (11) представляет собой статическую характеристику емкостного чувствительного элемента для неэлектропроводных сред.

Для измерения уровня электропроводных жидкостей - жидкостей с удельной проводимостью более 10-4 См/м применяют уровнемеры, оснащенные емкостным чувствительным элементом, изображенным на (рис. 20, б). Чувствительный элемент представляет собой металлический электрод 1, покрытый фторопластовой изоляцией 2. Электрод частично погружен в жидкость. В качестве второго электрода используется либо стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Полная емкость чувствительного элемента, изображенного на (рис. 20, в), определяется уравнением:

, (12)

где Со -- емкость проходного изолятора; С1 -- емкость конденсатора, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости на границе с изолятором; С2, -- емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с изолятором и стенками резервуара.

Емкостные уровнемеры выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,5. Их минимальный диапазон измерений составляет 0--0,4 м, максимальный 0--20 м; давление рабочей среды 2,5--10 МПа; температура от --60 до +100°С или от 100 до 250° С. При длине погруженной части чувствительного элемента 0,25 м погрешность срабатывания сигнализатора ±10 мм.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Этот метод основан на изменении силы тока. При пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико; при погружении концов электродов в проводящую среду сопротивление уменьшается соответственно величине её проводимости. Область применения метода распространяется исключительно на контроль уровня проводящих жидкостей. Следовательно, уровень сыпучих или вязких материалов измерять указанным методом нельзя. Необходимо наличие у контролируемого вещества определённой минимальной проводимости (более 1 мкС/см), чтобы при измерении уровня кондуктометрическим методом можно было получить различимый сигнал изменения тока.

Рисунок 10 - Уровнемер кондуктометрический

На рис. 10, приведена схема сигнализатора 10верхнего предельного уровня жидкости. В соответствии со схемой при достижении уровнем значения h замыкается электрическая цепь между электродом 1 и корпусом технологического аппарата. При этом срабатывает реле 2, контакты которого включены в схему сигнализации.

Электроды, применяемые в кондуктометрических сигнализаторах уровня, изготавливают из стали специальных марок или угля. Причем угольные электроды используются только при измерении уровня жидких сред.

Измерение уровня сыпучих сред

Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала, используют принцип эхолота и подразделяются на две основные группы: ультразвуковые (УЗК) и методы направленного электромагнитного излучения. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды. В таблице 1 приведены значения времени прохождения ультразвуковым сигналом и электромагнитной волной некоторых расстояний в воздушной среде при нормальных условиях (двойное расстояние уже учтено); эти данные помогают учесть инерционность УЗК - метода в некоторых применениях.

Таблица 1

Расстояние, м	Время прохождения
	Ультразвуковой сигнал, мс	Электромагнитная волна, мс
0,1	0,6	0,7
0,2	1,2	1,3
0,5	3	3,3
1	6	6,6
2	12	13,3
5	30	33,3
10	60	66,6

Ультразвуковые датчики уровня

Рисунок 11 - Принцип реализации ультразвукового метода определения уровня

В простейшем и наиболее распространённом случае, когда УЗК - датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды (в общем случае необходимо вносить поправку, учитывающую разность между реальной высотой установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рис. 11).

h htot 1/ 2vst . (13)

Здесь vs - скорость распространения ультразвукового сигнала в данной среде.

Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный УЗК - методом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения.

Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2%.

Основные достоинства УЗК - метода:

- бесконтактный;

- применим для загрязнённых жидкостей;

- реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;

- независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

- большое расхождение конуса излучения;

- отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут вызвать ошибки измерения;

- применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

- на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

Размещено на Allbest.ru

...