Методы измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов

1. Анализ современных методов контроля уровня

1.1 Задачи контроля уровня

Продуктивность производства предполагает высокий уровень автоматизации ТП. Основной такой автоматизацией является внедрение автоматических и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с использованием управляющих ЭВМ. Использование АСУ ТП позволяет перейти к оптимальным режимам ТП; позволяет существенно повысить уровень организации производства и увеличить оперативность работы персонала с технологическим оборудованием, что в итоге ведет к повышению качества выпускаемой продукции.

При автоматизации технического процесса первоочередной задачей становится получение информации о параметрах этого процесса. Для дискретного или непрерывного изменения параметров в сигналы, которые могут быть применены АСУ ТП, используют различные виды датчиков. Совершенствование и усложнение ТП требует использование более надежных и точных датчиков параметров.

Под датчиком или измерительным преобразователем понимают устройство для прерывистого или непрерывного преобразования параметров в сигналы измерительной информации, удобных для дальнейшего преобразования или передачи в технических средствах и системах, но которые не поддаются непосредственному восприятию наблюдателя.

Чувствительный элемент (ЧЭ) - это элемент измерительного преобразователя (датчика), в измерительных или автоматических управляющих системах, который находится под непосредственным воздействием регулируемой или измеряемой величины. В качестве ЧЭ служат мембраны, гироскопы, терморезисторы, тензорезисторы, катушки индуктивности, пьезокварцевые пластинки и др. ЧЭ преобразует измеряемую физическую величину в величину, которая будет воспринята ПИП.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) - это преобразователь, в котором подводимая величина, измеренная ЧЭ, преобразуется ПИП в цифровой, аналоговый или электрический сигнал без потери информативности. Значения этого сигнала отражают величину измеряемого параметра.

В современных ТП, применяемых в нефтехимической, фармацевтической промышленностях, химической, газовой, строительной, легкой, металлургической, пищевой, горнодобывающей, коммерческом учете расхода и количества различных веществ, коммунальном хозяйстве, при транспортировке больших объемов веществ требуется необходимость контроля измерения объема и количества различных веществ.

При точном определении количества вещества материалов в технологических и складских резервуарах сталкиваются с различными трудностями. Существующее положение определяется многообразием эксплуатационных и технологических условий хранения и переработки контролируемых веществ, различными особенностями конструкций резервуаров и неоднородностью физико-химических свойств. Такой контроль проводится измерением объема вещества или уровня в технологических резервуарах с помощью датчиков уровня. Положение уровня необходимо контролировать как в ходе ТП, так и непосредственно во время проведения подготовительных операций.

По отраслям промышленности объем операций по измерению уровня составляет, %:

химической ......................................................... 10

нефтеперерабатывающей и нефтехимической . 9

нефтяной ............................................................... 9

металлургической ................................................ 8

газовой ................................................................... 8

строительных материалов ................................... 3

На химическую и нефтехимическую промышленности приходится самая высокая доля операций измерений уровня.

Например, в ТП на РН-Комсомольский НПЗ на блоке коксовых камер P-101A/B установки замедленного коксования находятся в эксплуатации радиоизотопные приборы контроля уровня, которые позволяют бесконтактно, не подвергая опасности персонал следить за уровнем заполнения камеры. При замедленном коксовании, предварительно сырье, которое нагревается до 350-380оС в трубчатых печах, непрерывно поступает на каскадные тарелки ректификационной колонны, которые работают при атмосферном давлении, и стекая по которым, контактирует с поднимающимися навстречу парами, которые подаются из реакционных аппаратов. Часть паров конденсируется в результате тепло- и массообмена, образуя с исходным сырьем вторичное сырье, которое нагревается в трубчатых печах до 490-510оС и поступает в коксовые камеры ? полые вертикальные цилиндрические аппараты диаметром 3-8 м и высотой 22-30 м. В камеру реакционная масса непрерывно подается в течение 24-36 часов и благодаря аккумулированной ею теплоте коксуется. После заполнения камеры коксом на 70-90% его удаляют, обычно струей воды под высоким давлением (до 15 МПа). Кокс поступает в дробилку, где измельчается на куски размером не более 150 мм, после чего подается элеватором на грохот, где разделяется на фракции 150-25, 25-6 и 6-0,5 мм.

Вещества, для которых необходимо контролировать уровень, могут быть пастообразные, жидкие и сыпучие, химически активные и криогенные, могут находиться в различных загрузочных емкостях, бункерах, резервуарах, как по геометрической форме, так и по объему. Так же данные вещества могут находиться под воздействием давления и низкой или высокой температуры, менять свои электрофизические свойства, "пылить" или "парить". Датчики уровня могут находиться в пожаро- и взрывоопасных зонах, что накладывает свои ограничения на их конструкцию. Приблизительно 4% веществ теряются и не учитываются в производстве, из-за несовершенства измерительных устройств. В связи с этим ведутся работы по совершенствованию существующих и созданию новых приборов и способов для измерения уровня.

Во многих задачах требуется непрерывно и бесконтактно с заданной точностью измерять уровень вещества. Параметры окружающей среды и свойства измеряемого вещества, на результаты измерений должны влиять минимально. Это учитывается во время обработки полученного сигнала от чувствительного элемента.

К датчику уровня, независимо от того в каком режиме он работает, предъявляют ряд требований:

- Высокая воспроизводимость.

- Обеспечение заданной точности измерений.

- Высокая надежность.

- Высокая чувствительность.

- Малая инерционность.

- Высокая избирательность.

- Иметь унифицированный выходной сигнал.

- Инвариантность по отношению к внешним воздействиям.

Требования по техническим характеристикам, конструктивному исполнению и точности измерения уровня устанавливаются соответствующими ГОСТами.

Следующие требования выдвигаются для датчиков уровня: погрешность должна находится в пределах 0.1 - 5 % от измеренного значения. Максимальные значения измеряемого уровня лежат в диапазоне 20-30м (высота резервуара). Цифровые или аналоговые выходные сигналы: 0 - 5 мА, 4 - 20 мА, 0 - 20 мА используют для связи с АСУ ТП.

Над решением задач, связанных с измерением уровня работают приборостроительные предприятия как за рубежом, так и в России. Из отечественных предприятий самыми известными являются: АОЗТ Ольвия (г. Санкт-Петербург), ГНПП Исток (г. Фрязино), АО Теплоприбор (г. Рязань). Наиболее известные в России из зарубежных предприятий: Consilium US Inc. (США), Scientific Technologies Inc. (США), Bonetti (Италия), VEGA Grieshaber KG (Германия).

Способы измерения уровня

Измерение уровня -- это представление о начале плоскости раздела двух сред которые различны по плотности относительно начальной плоскости (0), которую принимают за начало отсчета. Приборы, которые выполняют данную задачу, называются датчиками уровня или уровнемерами.

Измерение уровня заключается в изменение значения текущего уровня в соответствующее значение выходного параметра.

Датчик уровня является совокупностью чувствительного элемента и первичного измерительного преобразователя, которые обеспечивают определенный вид выходной характеристики уровнемера и обладают соответствующими характеристиками. Датчик - элемент, который воспринимает изменения контролируемой величины и осуществляет функциональное преобразование в выходной сигнал. Такое определение дает возможность рассматривать уровнемер без устройства индикации, как датчик [1,3].

Из-за сложного технологического процесса в зоне измерения, для работы в датчик уровня устанавливают только необходимый минимум преобразователей, которые будут воспринимать значение контролируемых параметров и преобразовывать их в параметры, пригодные для передачи на некоторое расстояние.

Погрешность уровнемера определяется погрешностью чувствительного элемента, то есть погрешностью преобразования входного параметра датчика уровня в выходной параметр [8].

Измерения уровня разделяют на два основных класса определения - непрерывные измерения и дискретные. При дискретных измерениях из полного диапазона контролируемой величины выделяются только моменты достижения данной величины фиксируемых значений. В случае непрерывного измерения, любому значению измеряемой величины отвечает определенное значение выходного параметра прибора.

По способу получения информации об уровне уровнемеры делят на бесконтактное и контактное измерение уровня. При контактном измерении уровня чувствительный элемент имеет контакт с веществом. Данные о положении чувствительного элемента передаются на устройство формирования электрических сигналов или индикации, посредством электромеханической связи, магнитной или механической. В случае бесконтактного измерения, контакта ЧЭ с веществом не происходит. Данные об уровне извлекаются из параметров различных зондирующих сигналов.

Для решения задач управления и контроля текущим положением уровня вещества используют непрерывное измерение уровня. Для предупреждения переполнения или полного опорожнения емкости применяют дискретные измерения, т.е. они сигнализируют о критическом положении уровня.

2. Принцип работы уровнемеров

2.1 Классификация и анализ методов измерения уровня

В настоящее время в промышленности разработаны и используются множество методов измерения уровня. По классификации их разделяют по физической сущности, это дает возможность объединить их по группам, характеризуемые общностью теории, описывающей принципы построения и их работу. Электромеханические датчики уровня

Уровень электромеханическим датчиком определяется по угловому или линейному перемещению чувствительного элемента. Связь с измерительным преобразователем может быть магнитная или механическая. Данный метод является контактным измерением уровня. Данные датчики используют как для сигнализации критического значения уровня, так и для точного непрерывного измерения уровня.

Электрические датчики уровня

Данные датчики уровня имеют принцип действия различия электрических свойств жидкостей и парогазовой смеси над ним. Обычно используется электропроводность диэлектрическая проницаемость. Чувствительный элемент выполнен в виде электродов, которые судят о положении уровня при погружении их в вещество.

Оптоэлектронные датчики уровня

Такие датчики используют свойства поглощения, преломления и отражения веществом волн света. Системы использующие принципы лазерной локации работают на отражении. В дискретных уровнемерах обычно используют принцип поглощения: луч света, который подает на фотоприемник, будет перекрываться уровнем вещества.

Радиоволновые уровнеметры.

Данный метод основан на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.

Акустические и ультразвуковые датчики уровня

Действие акустических датчиков уровня основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости -- ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором -- наоборот.

Гидростатические датчики уровня

Данный метод измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, то есть расстоянию от поверхности жидкости. При измерении уровня гидростатическим способом используют приборы перепада давлений или измерения давления.

Радиоизотопные датчики уровня

Радиоизотопные уровнемеры используют для точного бесконтактного измерения уровня и объема в сложных условиях технологического процесса. Данный способ позволяет осуществлять контроль уровня различных твердых и жидких веществ. Так как все элементы уровнемера находятся снаружи сосуда и не контактируют с контролируемым веществом, радиоизотопный уровнемер не подвержен влиянию таких параметров, как температура, коррозия, вакуум, вязкость, давление.

В качестве изотопов для данных уровнемеров применяют: Cs137, Co60, Am241.

2.2 Анализ характеристик современных средств измерения уровня

При эксплуатации уровнемер необходимо учитывать различные физические и химические свойства внешних мешающих факторов и рабочей среды резервуара (температура, вязкость, давление, вакуум, химическая агрессивность и др.), которые изменяются в больших пределах, и под воздействием которых находятся уровнемеры. В датчиках, принцип действия которых основан на взаимодействии с веществом, свойства среды играют определяющую роль при воздействии на них, из-за непостоянности данных свойств, они могут сильно и недопустимо влиять на точность получаемых результатов. Кроме того, при контактном способе измерения уровня если вещество является химически активным, оно вступает в реакцию с материалом ЧЭ, что может привести к разрушению деталей.

При измерении уровня вязких или пастообразных веществ, данные вещества могут налипнуть на элементы конструкции датчика, из-за этого использования контактных уровнемеров становится невозможным.

Контактные уровнемеры при измерении уровня сыпучих материалов подвергаются, нежелательной, механической обработке, из-за чего ЧЭ датчика приходит в негодность.

При эксплуатации для соблюдения паспортной точности в заданных пределах, контактные уровнемеры приходится регулировать. В свою очередь бесконтактные уровнемеры снабжены устройствами самокорректировки результатов измерений и самопроверки, что лишает их данного недостатка.

Температура окружающей среды, давление, требуемая точность измерений, особенности емкости и другие факторы для различных конкретных задач, влияют на выбор уровнемера. Так же к одним из основных значений относится и цена уровнемера. Сравнительные характеристики современных уровнемеров представлены в таблице 2.1.

В радиоизотопных уровнемерах (РУ), которые работают по принципу эффекта поглощения или ослабления ядерного излучения, проходящего через вещества или среду. Являются универсальными, так как не имеют контакта с

контролируемой поверхностью и почти не реагируют на изменение параметров среды. Могут измерять уровни различных твердых и жидких веществ, при разных условиях эксплуатации. Могут использоваться как дня непрерывного контроля уровня, так и как сигнализаторы максимального уровня.

Обеспечение заданной точность измерений и их стабильность, является одним из главных требований к уровнемерам. Заданная точность обеспечивается применением современной элементной базы, микропроцессорной обработкой сигналов с применением уникальных алгоритмов, которые строятся с учетом результатов исследований физики работы датчика того или иного типа.

Для практической реализации уровнемера, работающего с заданной точностью, необходимо проанализировать погрешность и на основе полученных данных разрабатывать конкретное устройство.

3. Методы измерения уровня сыпучих материалов

3.1 Весовой метод

В некоторых отраслях промышленности, в частности химической, находят применение весовые измерители уровня или массы сыпучего материала в бункере. В качестве преобразователя в этих уровнемерах используется мессдоза, которая является опорой одной из лап бункера. Мессдоза имеет стальной корпус с поршнем, герметизированным металлической мембраной. Мессдоза, соединительная линия и внутренняя полость трубчатой пружины манометра заполнены жидкостью. Измеряемое давление в мессдозе манометром равно силе тяжести бункера с находящимся в нем материалом, делённой на площадь поршня.

Рисунок 3.1 Вид измерителя количества (в килограммах) сыпучего вещества с помощью мессдозы.

Весовые уровнемеры абсолютно нечувствительны к физическим свойствам контролируемого вещества. Поэтому все весовые уровнемеры пригодны для измерения уровня сыпучих материалов, естественно, за исключением уровнемеров со вспомогательными сосудами. Так же как и при измерении уровня жидкости основным ограничением применимости весового метода являются габариты сосудов -- метод распространен при сосудах малых и средних размеров.

При весовом методе контроля количества сыпучего вещества, находящегося в бункере, удобно воспользоваться измерителем Сущность метода заключается в измерении давления жидкости, развивающегося под резиновой мембраной 9, в результате воздействия на нее силы тяжести бункера 1, которая приходится на одну из его опор 3 и передается на фундамент 8.

Достоинством прибора с мессдозой является отсутствие каких-либо деталей внутри бункера, а недостатком -- уменьшение точности при малой загрузке, а также возникновение дополнительных инструментальных температурных погрешностей вследствие изменения модуля упругости материала манометрического чувствительного элемента указателя (при изменении температуры окружающей среды. Недостатком можно считать также малую дистанционность измерения, которая не превышает 10 м.

В весовых уровнемерах кроме мессдозы применяют и более совершенные магнитоупругие преобразователи, которые обеспечивают более высокую точность измерения. Для преобразования силы тяжести бункера с заполняющим его материалом в электрический сигнал магнитоупругие преобразователи устанавливают под его опорами. Действие этих преобразователей основано на изменении магнитной проницаемости стальной пластины преобразователя при упругой механической деформации.

Принципиальная электрическая схема весового уровнемера для измерения массы материала в бункере с использованием магнитоупругих преобразователей приведена на рисунке.



Рисунок 3.2 Принципиальная схема весового уровнемера с магнитоупругими преобразователями.

Здесь в качестве измерительной схемы используется неуравновешенный мост, где R1 и R2 -- постоянные резисторы плеч моста; РМП -- рабочий магнитоупругий преобразователь; КМП -- компенсационный магнитоупругий преобразователь; R_o--резистор для установки указателя вторичного прибора на начальную отметку; В -- выпрямитель; ВП -- вторичный прибор; СН -- стабилизатор напряжения. В реальном весовом уровнемере в плече РМП моста находятся четыре последовательно соединенных магнитоупругих преобразователя. В качестве вторичного прибора могут быть использованы милливольтметры и автоматические потенциометры.

3.2 Поплавковый метод

Неподчинение сыпучих материалов закону Паскаля исключает применение при измерении их уровня буйкового метода и существенно усложняет поплавковый. Основным отличием от поплавкового уровнемера жидкости для уровнемера сыпучих материалов является монтаж внутри поплавка 1 вибратора 2.



Рисунок 3.3 - Поплавковый уровнемер для сыпучих материалов: 1 - поплавок; 2 - вибратор; 3 - трос-кабель; 4 - противовес; 5 - двигатель постоянного момента; 6 - показывающий прибор

Под воздействием виброколебаний сыпучий материал в непосредственной близости от поплавка ведет себя как жидкость и поплавок «плавает» на его поверхности. Индикация положения поплавка осуществляется с помощью гибкой связи поплавка с измерительной схемой, причем элемент связи 3 выполняет одновременно и функции токоподводящего устройства. Перемещение поплавка, вес которого частично уравновешивается противовесом 4, осуществляется с помощью двигателя постоянного момента 5. Текущее значение уровня считывается с табло показывающего прибора 6, который контролирует перемещение гибкого элемента связи, либо кинематически связано двигателем постоянного момента.

Для поплавковых уровнемеров сыпучих материалов характерны весьма значительные габариты поплавкового устройства. Применение токонесущих элементов связи и тонкостенных поплавков требует принятия специальных мер по защите элементов поплавкового уровнемера от повреждения сыпучим материалом, особенно при загрузке сосуда.

3.4 Гидростатический метод

Из гидростатических уровнемеров при измерении уровня сыпучих материалов применяются в основном мембранные уровнемеры, так как из-за ограниченной подвижности сыпучих материалов при прочих типах чувствительных элементов невозможно обеспечить их надежное взаимодействие с контролируемым веществом. Так как сыпучие материалы не подчиняются закону Паскаля, то мембранные гидростатические уровнемеры применяются лишь в качестве сигнализаторов уровня. Мембрана устанавливается вертикально, причем в месте установки ее не должно возникать пустот или задержек материала, поэтому выбору места установки датчика придают первостепенное значение, особенно при сосудах сложной конфигурации. Взаимодействие мембраны с частицами сыпучего материала приводит к ее быстрому износу и при достаточно малой толщине -- к разрушению. Поэтому к материалу мембраны предъявляют повышенные требования. Неподчинение закону Паскаля позволяет применить вместо тонких мембран более прочную заслонку 1, с которой и взаимодействует сыпучий материал.

Рисунок 3.4 Вид сигнализатора уровня сыпучего материала с заслонкой: 1 - заслонка; 2 - переключатель; 3 - толкатель; 4 - мембрана; 5 - пружинный шарнир.

Заслонка подвешена на крестообразном пружинном шарнире 5 и при своем повороте воздействует на толкатель 3 переключателя 2, который установлен в герметизированном с помощью мембраны 4 корпусе. Усилие срабатывания регулируется длиной толкателя [5].

Применение комплекта мембранных датчиков дает скорее паллиативное решение, так как сохраняется дискретность показаний. Поэтому заслуживает внимания гидростатический уровнемер для непрерывного замера уровня сыпучих материалов.

Рисунок 3.5 Вид датчика гидростатического уровнемера для измерения уровня сыпучего материала: 1- спираль сопротивления; 2 - металлическая лента; 3 упругая оболочка.

Датчик представляет собой гибкую мерную полосу, подвешенную внутри сосуда, натяжение ее обеспечивается грузом на нижнем конце. Полоса состоит из спирали сопротивления 1 и тонкой металлической ленты 2, закрепленных на противоположных внутренних сторонах упругой оболочки 3 из материала -- изолятора. При отсутствии контролируемого вещества вокруг полосы за счет упругости ее оболочки спираль и лента не касаются друг друга (А). Под воздействием же давления со стороны сыпучего материала оболочка деформируется так (Б), что металлическая лента шунтирует участок спирали, соответствующий текущему значению уровня. Изменяющееся электрическое сопротивление датчика и является выходным параметром датчика. Основным достоинством уровнемера является то, что датчик работоспособен при любом виде зависимости давления от уровня. Уровнемер может быть применен и для измерения уровня жидкости, для чего оболочка должна быть выполнена менее жесткой.

В качестве сигнализатора уровня сыпучего материала возможно использование пневматического (пьезометрического) уровнемера. В момент достижения уровнем нижнего обреза трубки происходит ее полная закупорка, либо резкое увеличение ее гидравлического сопротивления, что и позволяет зафиксировать этот момент.

3.5 Кондуктометрический метод

Уровень таких проводящих сыпучих материалов как уголь, руда и тому подобное может сравнительно просто замеряться кондуктометрическим методом.

Рисунок 3.6 Схема сигнализатора уровня угольной пыли в бункере

На рисунке 3.6 приведена принципиальная схема электронного сигнализатора уровня угля в бункерах. На этой схеме приняты следующие обозначения: Т -- триод полупроводниковый; РП -- обмотка электромагнитного реле, включенная в цепь коллектора; В -- выпрямитель, питающий схему постоянным напряжением 24 В; Э1 и Э2-- электроды соответственно верхнего и нижнего уровня; К-- контакты реле РП.

Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, подающий на базу триода постоянный потенциал, для стабилизации во времени нулевого тока коллектора. Резистор R₃ устанавливается при малом переходном сопротивлении топлива для ограничения управляющего тока базы.

При загрузке бункера топливом до верхнего уровня электрод Э1 замыкается через слой топлива на «землю», триод отпирается и через обмотку реле РП потечет ток. Реле срабатывает и включает сигнал о заполнении бункера углем до верхнего уровня. Одновременно при этом реле замыкает контакт К в цепи электрода Э2 нижнего уровня. При снижении уровня топлива ниже конца электрода Э2 реле отключается и подает сигнал об опорожнении бункера.

Для надежной работы этого сигнализатора уровня переходное сопротивление топлива между электродом и бункером не должно превышать 50 кОм. В реальных условиях сопротивление слоя угля в зависимости от заполнения бункера меняется в широких пределах. Например, при соприкосновении слоя топлива с электродом, переходное сопротивление может составлять 100--140 кОм. При дальнейшем увеличении заполнения бункера углем, указанное сопротивление уменьшается до 0,5 кОм. В соответствии с этим производится выбор длины электродов и определяется необходимая глубина погружения их в слой топлива.

Для сигнализации и автоматизации заполнения бункеров и других емкостей различными сыпучими материалами могут применяться емкостные сигнализаторы уровня с резонансной схемой типа ЭСУ-1, ЭСУ-2 и другие.

В угольной промышленности широко применяют сигнализаторы (реле) уровня типа ИКС (искробезопасный контроль сопротивлений). Сигнализатор предназначен для контроля и автоматизации заполнения бункеров, течек и других емкостей сыпучими материалами (углем, породой и др.). Эти сигнализаторы уровня используются также на ТЭС для контроля и автоматизации загрузки бункеров кусковым углем. Сигнализатор может контролировать верхний уровень сыпучего материала в бункере (применяется один электрод) или верхний и нижний уровень (применяются два электрода).

Следует отметить, что для обеспечения надежного контроля и автоматизации загрузки бункеров углем и пылью на ТЭС должны быть созданы более совершенные сигнализаторы уровня.

3.6 Емкостной метод

Емкостные уровнемеры широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей и сыпучих материалов в различных объектах в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Емкостные уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до 25--60 кгс/см2 (2,5--6,0 МПа) и имеющих температуру от --40 до 200°С. Эти ограничения обусловлены надежностью применяемой изоляции для изготовления общепромышленных первичных преобразователей емкостных уровнемеров.

Емкостные уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня вязких (более 0,980 Па х с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также взрывоопасных сред.

Действие рассматриваемых уровнемеров основано на измерении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально. Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй-- остальной частью электродов преобразователя и воздухом или парами жидкости.

При применении емкостных уровнемеров необходимо иметь в виду, что измеряемый уровень жидкости функционально связан с диэлектрической проницаемостью веществ. Поэтому при измерении уровня емкостным уровнемером следует учитывать, что значение диэлектрической проницаемости жидкости изменяется с изменением температуры ее.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропроводные и электропроводные. Такое деление жидких диэлектриков имеет некоторую условность, но является практически целесообразным. Жидкости, имеющие удельное сопротивление р больше 10⁷ -- 10⁸ОмЧм и относительную диэлектрическую проницаемость е_ж меньше 5 -- 6, относятся к группе неэлектропроводных, а жидкости, имеющие р меньше 10⁵ -- 10⁶ ОмЧм и е_жбольше 7 -- 10, относятся к группе электропроводных. Следует отметить, что удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость жидкостей в большой степени зависят от частоты напряжения, на которой производится измерение уровня. Вследствие различия электрических характеристик жидкостей, емкостные преобразователи уровнемеров выполняют различными. Принципиальное различие состоит в том, что один из электродов преобразователя для измерения уровня электропроводных жидкостей покрывается электрической изоляцией, а электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолируют.

Некоторые типы емкостных уровнемеров находят применение для сигнализации и дистанционного измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью.

Сигнализаторы для дискретного определения уровня твердых сыпучих материалов с емкостной радиочастотной антенной

4. Методы измерения уровня жидких материалов

4.1 Волноводные уровнемеры

Волноводный уровнемер (Guided wave radar - GWR) также называют радаром с временным разрешением (TDR), микроимпульсным радаром (MIR). Устанавливается на крыше резервуара или в выносной камере, при этом зонд имеет длину, равную глубине емкости/камеры. Микроволновый импульс малой мощности распространяется со скоростью света вниз по зонду. В точке контакта зонда и жидкости (границы раздела воздух/вода) значительная часть энергии отражается и возвращается в обратном направлении по зонду в приемник. Уровнемер измеряет временную задержку между излучением и приемом излученного и отраженного сигналов, после чего встроенный -микропроцессор рассчитывает расстояние до поверхности измеряемой среды по формуле:

Расстояние = (Скорость света x время задержки) / 2

Если при настройке уровнемера было указано расстояние до опорной точки - обычно это днище резервуара или камеры, то микропроцессор рассчитает уровень жидкости. Часть микроволнового импульса продолжает распространяться через жидкость с низкой диэлектрической постоянной, уровнемер может зарегистрировать второй эхосигнал от границы раздела жидкостей. Благодаря этой особенности волноводные уровнемеры успешно применяются для измерения уровня границы раздела жидкость/жидкость, таких как нефть и вода, а так же для измерения уровня жидкости через слой пены. Волноводные уровнемеры можно применять в резервуарах со сложной геометрией, выносных камерах и емкостях с высокими патрубками. Они подходят для измерения уровня жидкостей с малыми значениями диэлектрической постоянной, в условиях неспокойной поверхности. Поскольку работа волноводного уровнемера не зависит от того, насколько "плоской" является поверхность, его можно применять для измерения уровня порошковых, гранулированных материалов с наклонной поверхностью или жидкостей, поверхность которых представляет собой воронку.

Рис. 4.1. Волноводный уровнемер может работать вблизи объектов, создающих помехи, и в жестких условиях процесса

Волноводные уровнемеры способны одновремено измерять уровень и уровень границы раздела сред, обеспечивая надежные измерения в различных технологических процессах. Волноводные уровнемеры реализуют метод измерения "сверху" и обеспечивают прямое измерение расстояния до поверхности среды. Возможно измерения уровня жидкостей, шлама и сыпучих материалов. Ключевым преимуществом таких уровнемеров является отсутствие необходимости корректировки настроек при изменении плотности, диэлектрической постоянной или электропроводности жидкости. Изменения давления, температуры и состояния парогазового пространства над жидкостью практически не влияют на погрешность измерения. В дополнение, волноводные уровнемеры не имеют подвижных частей, что сводит к минимуму потребность в техническом обслуживании. Волноводный уровнемер прост в монтаже, и может заменять приборы других принципов измерения уровня, такие как емкостные и буйковые уровнемеры, монтаж возможен даже при наличии продукта в резервуаре.

Несмотря на то, что волноводные радары могут работать в самых разнообразных условиях, следует уделить особое внимание выбору зонда. Доступно несколько вариантов зондов, выбор производится исходя из условий технологического процесса, требуемой длины и ограничений по монтажу. Зонды не должны соприкасаться с металлическими объектами (кроме коаксиальных зондов), так как это влияет на измерительный сигнал. Если измеряемая среда имеет тенденцию к налипанию или образованию отложений, то следует применять одинарные зонды. Некоторые волноводные уровнемеры оснащены расширенными возможностями диагностики, которые позволяют обнаруживать осаждения на зонде. Камеры диаметром до 75 мм более восприимчивы к осаждениям и в них сложнее избежать контакта зонда и стенок камеры.

4.2 Бесконтактные радарные уровнемеры

- непрерывное измерение уровня

Бесконтакные радарные уровнемеры реализуют два основных способа излучения радиоволн - импульсный и частотно-модулированный (FMCW). Импульсный бесконтактный радар излучает радиоволны, которые отразившись от поверхности измеряемой среды возвращаются обратно в приемник. Уровнемер измеряет временную задержку между излучением и приемом излученного и отраженного сигналов, после чего встроенный микропроцессор рассчитывает расстояние до поверхности измеряемой среды по формуле:

Расстояние = (Скорость света x время задержки)/2

При настройке уровнемера указывается расстояние до опорной точки - обычно это дно резервуара или камеры, микропроцессор рассчитывает уровень жидкости.

Радарный уровнемер с частотной модуляцией также излучает радиоволны к поверхности продукта, но частота радиоволн постоянно изменяется. Когда радиоизлучение отразилось от поверхности жидкости и вернулось обратно в уровнемер, оно сравнивается с радиоизлучением, которое передается в резервуар в текущий момент. Разница частот между передаваемым и принятым радиосигналом прямо пропорциональна расстоянию до поверхности жидкости.

Поскольку измерения осуществляются бесконтактно и части уровнемера практически не подвергаются коррозии, такие уровнемеры являются идеальным выбором для измерений вязких, клейких сред и жидкостей с абразивными включениями. Довольно часто бесконтактные уровнемеры применяются в резервуарах с мешалками. При необходимости радарный уровнемер с высокой рабочей частотой может быть изолирован от технологического процесса шаровым клапаном. Большинство изготовителей предлагают бесконтактные радары для диапазонов измерений от 1 до 30 или 40 метров. Рабочая частота бесконтактного радарного уровнемера влияет на его характеристики. Низкая частота уменьшает восприимчивость уровнемера к парам, пене и загрязнениям антенны, а более высокие частоты способствует большей концентрации радиоизлучения, что позволяет свести к минимуму влияние патрубков, стенок и внутренних конструкций резервуара. Угол излучения обратно пропорционален размеру антенны, это значит, что при одинаковой рабочей частоте ширина измерительного луча уменьшается по мере увеличения размера антенны.

Бесконтактные радарные уровнемеры реализуют метод измерения "сверху" и обеспечивают прямое измерение расстояния до поверхности среды. Возможно измерения уровня жидкостей, шлама и сыпучих материалов. Ключевым преимуществом таких уровнемеров является отсутствие необходимости корректировки настроек при изменении плотности, диэлектрической постоянной или электропроводности жидкости. Изменения давления, температуры и состояния парогазового пространства над жидкостью практически не влияют на погрешность измерения. В дополнение, бесконтактные радарные уровнемеры не имеют подвижных частей, что сводит к минимуму потребность в техническом обслуживании. При необходимости, радарные уровнемеры могут быть изолированы от технологического процесса диафрагмами из политетрафторэтилена (PTFE), или шаровых клапанов. Так как прибор не соприкасается с измеряемой средой, его с успехом можно применять для работы с агрессивными и загрязненными средами.

Рис. 4.2. Бесконтактные радары с антеннами различных типов для применения в различных условиях.

Ключевым условием успешной работы бесконтактного радара является его правильная установка на резервуаре. Поверхность измеряемой среды должна беспрепятственно просматриваться с места планируемой установки и монтажный патрубок должен иметь гладкие стенки без выступающих сварных швов. Внутренние конструкции резервуара: трубы, усилители, перемешивающие устройства могут вызвать эхосигналы помех, но большинство уровнемеров снабжены сложными программными алгоритмами, которые позволяют уровнемеру маскировать и игнорировать подобные помехи. Бесконтактный радар может использоваться в условиях турбулентности и перемешивания, но успешность и качество измерений будет зависеть от диэлектрической постоянной жидкости и интенсивности возмущений на поверхности. На измерение может оказывать влияние пена. Легкая и насыщенная воздухом пена, как правило, не отражает микроволны, а плотная и тяжелая пена может отражать микроволны. Жидкости с низкой диэлектрической постоянной поглощают большую часть излучаемой энергии, к уровнемеру отражается сравнительно небольшая ее часть. Вода и большинство водных растворов обладают высокой диэлектрической постоянной, нефтепродукты, масла и некоторые сыпучие материалы обладают низкой диэлектрической постоянной. Если поверхность среды турбулентна из-за перемешивания, смешивания продуктов, всплесков на поверхности, то значительная часть микроволнового сигнала рассеивается. Таким образом, сочетание низкой диэлектрической постоянной и неспокойной поверхности может существенно ограничить часть микроволнового сигнала, которая возвращается к радарному уровнемеру. Эта проблема может быть решена путем установки успокоительной трубы или выносной камеры для обеспечения спокойной поверхности в поле зрения уровнемера.

4.3 Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковой уровнемер монтируется на крыше резервуара и посылает ультразвуковые импульсы к измеряемой среде. Ультразвуковой импульс, который распространяется в пространстве со скоростью звука, отражается от поверхности жидкости. Уровнемер измеряет время задержки между моментом излучения и приема отраженного импульса, встроенный микропроцессор вычисляет расстояние до поверхности жидкости по формуле:

Расстояние = (Скорость звука x время задержки) / 2

Рис. 4.3. Пример установки ультразвукового уровнемера

При настройке уровнемера указывается значение опорной высоты - обычно это расстояние от дна резервуара до уровнемера, прибор вычисляет уровень в резервуаре.

Ультразвуковые уровнемеры могут быть установлены как на пустой, так и на заполненный резервуар. Как правило, запуск в эксплуатацию очень прост благодаря встроенным средствам настройки, позволяющим обеспечить ввод в эксплуатацию за считанные минуты. Благодаря отсутствию подвижных частей и контакта с измеряемой средой, ультразвуковые уровнемеры практически не нуждаются в обслуживании. Смачиваемые части обычно изготовлены из инертных фторуглеродных материалов, устойчивых к воздействию конденсата технологических сред. Поскольку уровнемер является бесконтактным, результаты измерений не зависят от изменений плотности, диэлектрических свойств или вязкости среды; ультразвуковые уровнемеры хорошо подходят для измерения уровня различных водных растворов и химикатов. Изменения температуры процесса вызывают изменения скорости распространения ультразвукового импульса через парогазовое пространство над жидкостью, эти отклонения, как правило, автоматически корректируется по показаниям встроенного или выносного датчика температуры. Изменения давления процесса на результат измерений не влияют.

Работа ультразвуковых уровнемеров основывается на допущении, что ультразвуковой импульс не изменяет скорость распространения. Следует избегать таких применений, где над поверхностью жидкостей образуются испарения или плотные пары. В подобных случаях рекомендуется использовать радарные уровнемеры. Так как ультразвуковой импульс распространяется в воздушной среде, ультразвуковые уровнемеры нельзя применять в процессах со значительным вакуумметрическим давлением. Применяемые конструкционные материалы ограничивают рабочие температуры до 70° C и рабочее давление до 3 бар. Состояние поверхности жидкости также имеет большое значение. Некоторая турбулентность допустима, но пена зачастую ослабляет отраженный эхосигнал. Внутренние конструкции резервуаров, например, трубы, перегородки, перемешивающие устройства и т.д., вызывают ложные отражения, но в большинство уровнемеров заложены специальные программные алгоритмы, которые позволяют отслеживать или игнорировать эти отражения. Ультразвуковые уровнемеры могут использоваться в силосах, содержащих сыпучие материалы в виде гранул, зерен или порошков, но запуск в эксплуатацию в таких применениях затруднен из-за таких факторов, как угол наклона поверхности, запыленность пространства и большие диапазоны измерений. Для работы с сыпучими материалами лучше применять волноводные уровнемеры.

4.4 Датчики давления

Датчики давления - это наиболее распространенная технология измерения уровня жидкости. Они имеют несложную конструкцию, отличаются простотой монтажа и эксплуатации, и работают в самых разных применениях и в широком диапазоне условий технологических процессов. Если измерение уровня осуществляется в открытом/вентилируемом резервуаре, то может использоваться один датчик избыточного гидростатического давления (GP) или датчик дифференциального (перепада) давления (DP). Если резервуар закрыт или находится под давлением, то для компенсации давления в резервуаре должен измеряться перепад давления. В дополнение к основным измерениям уровня датчики перепада давления могут быть настроены для измерения плотности или уровня границы раздела сред.

Для того, чтобы получить значение уровня в открытом резервуаре, необходимо измерить гидростатическое давление жидкости. Столб жидкости оказывает воздействие на основание столба, обусловленное весом жидкости. Это воздействие, называемое гидростатическим давлением или давлением столба жидкости, может быть измерено в единицах давления. Гидростатическое давление определяется следующим уравнением:

Гидростатическое давление = Высота x Удельный вес

При изменении уровня (высоты столба) жидкости пропорционально изменяется и гидростатическое давление. Поэтому простейшим способом измерения уровня в резервуаре является установка датчика давления на самом нижнем уровне. Уровень жидкости над точкой измерения может быть получен из величины гидростатического давления, если формулу, указанную выше, преобразовать для расчта высоты. Если единицы измерения давления не соответствуют единицам измерения длины, то необходимо провести преобразование единиц измерения (1 м вд.ст. = 0,1 кг/см2).

Если резервуар закрытый и находится под давлением, то показаний одного датчика избыточного давления недостаточно, так как датчик не может распознать, вызвано ли изменение общего давления изменением уровня жидкости или изменением давления в резервуаре. Для решения этой задачи в закрытых резервуарах должен применяться датчик перепада давления, чтобы скомпенсировать давление в резервуаре.

При измерении перепада давления изменение суммарного давления в резервуаре в равной степени воздействует на верхний и нижний отбор, поэтому влияние внутреннего давления полностью исключается.

Рис. 4.4. Датчик перепада давления (DP)

На нижнем отборе вблизи дна резервуара, измеряется сумма гидростатического давления и давления в парогазовом пространстве. На верхнем отборе измеряется только давление в парогазовом пространстве. Разность давлений на отборах (дифференциальное давление) используется для определения уровня.

Уровень = Дифференциальное давление / Удельный вес

В целом, датчики давления являются экономичным, простым в эксплуатации и хорошо изученным решением. В дополнение к этому, датчики давления могут применяться практически в любых резервуарах и любыми жидкостями, включая суспензии, и могут работать в широком диапазоне давлений и температур, а так же при наличии пены и неспокойной поверхности.

На погрешность измерения уровня датчиками давления может повлиять изменение плотности жидкости. При работе с вязкими, коррозионно активными или иными агрессивными жидкостями необходимо соблюдать особые меры предосторожности. Кроме того, некоторые среды (например, целлюлозная масса) имеют тенденцию к затвердеванию по мере роста концентрации. Датчики давления не работают со средами, находящимися в твердом состоянии. Если датчики давления установлены с импульсными трубками (сухие и мокрые колена), тогда на их работу будет влиять изменение температуры окружающей среды из-за изменения плотности заполняющей жидкости в мокром колене или накопления конденсата в сухом колене Закрытые каппилярные системы смягчают воздействие некоторых из этих факторов и могут быть выбраны для снижения дополнительной погрешности. Измерительные системы с электронными выностными мембранами могут еще больше снизить погрешность, связанную с изменением температуры, так как импульсные линии в них заменены на цифровые линии связи. Но системы с электронными выносными мембранами разработанны для применения на высоких резервуарах с низкми и средними значениями статического давления.

4.5 Емкостные уровнемеры

При установке электрода для измерения уровня в резервуаре образуется конденсатор. Металлический стержень электрода выступает в качестве одной из пластин конденсатора, а стенка резервуара (или опорным электрод в неметаллических резервуарах) действует как другая пластина. При повышении уровня воздух или газ, окружающий электрод, вытесняется материалом, имеющим другое значение диэлектрической постоянной. Изменение емкости конденсатора происходит из-за изменения диэлектрических свойств среды между пластинами. Это изменение регистрируется электронными цепями для измерения емкости и преобразуется в команду для исполнительного реле или в пропорциональный выходной сигнал.

Зависимость для емкости конденсатора выражается следующим уравнением:

C = K ( A / D ),

Где С = емкость в фарадах, К = диэлектрическая постоянная материала, A = площадь пластин в квадратных метрах, D = расстояние между пластинами в метрах.

Рис. 4.5. Принцип работы емкостного уровнемера

Диэлектрическая постоянная - это численное значение по шкале от 1 до 100, которая характеризует способность диэлектрика (среды между пластинами) удерживать электростатический заряд. Диэлектрическая постоянная материала определяется на испытательном стенде. В реальных условиях изменение емкости происходит различным образом, в зависимости от свойств измеряемой среды и выбора электрода для измерения уровня. Однако, основной принцип всегда остается в силе. Если среда с низкой диэлектрической постоянной вытесняется средой с высокой диэлектрической постоянной, то суммарная емкость системы возрастает.

При увеличении размеров электрода (возрастании эффективной площади поверхности) емкость возрастает; при увеличении расстояния между измерительным и опорным электродами емкость уменьшается.

Емкостной уровнемер может применяться в широком диапазоне технологических параметров, в частности, в условиях переменной плотности, повышенных температур (до 540 °C), высоких давлений (до 345 бар), при наличии вязких/клейких продуктов, пены и паст. Он может применяться для непрерывного или точечного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов, и пригоден для измерения уровня границы раздела сред. Кроме того, емкостные уровнемеры отличаются невысокой стоимостью.

Изменение диэлектрических свойств среды, а также осаждение продукта на зонде, приводят к ошибкам измерений емкостного уровнемера. Существуют различные варианты компенсации влияния отложений продукта на емкостных зондах. В неметаллических резервуарах или в резервуарах, не имеющих вертикальных стенок, требуется применение дополнительного опорного электрода. Калибровка емкостного уровнемера может вызывать затруднения, особенно в случае невозможности "калибровки на стенде", а изменение характеристик парогазового пространства может повлиять на выходной сигнал. Кроме того, работа емкостных уровнемеров сильно затруднена в условиях сильного пенообразования.

4.6 Буйковый уровнемер

Буйковый уровнемер устанавливается на крыше резервуара или чаще, в выносной камере, сообщающейся с резервуаром через отборы с отсечными вентилями. Конструктивно уровнемер состоит из буйка, установленного на подвесе, соединенного с торсионным валом или подвешенного на подпружиненный подвес, который соединяется с электронным преобразователем уровнемера или сигнализатора. Буек выполнен таким образом, чтобы быть тяжелее жидкости, в которой он будет работать, таким образом, даже при полном погружении буйка в жидкость, на подвес воздействует сила тяжести. При повышении уровня жидкости в резервуаре, буек глубже погружается в среду. На буек воздействует выталкивающая сила, пропорциональная весу жидкости, вытесненной буйком (закон Архимеда). Уменьшение веса буйка воспринимается электронным преобразователем уровнемера, и, поскольку вес буйка пропорционален уровню жидкости, блок электроники уровнемера может рассчитать уровень жидкости.

Рис. 4.6. Общий вид буйкового уровнемера

Парк установленных буйковых уровнемеров и сигнализаторов огромен, и они, при условии, что техническое обслуживание и калибровка выполняются регулярно, безотказно работают в течение многих лет. Эти приборы получили широкое распространение благодаря способности работать при выскоих значениях давления и температуры процесса, а также возможности измерения уровня границы раздела жидкостей даже при наличии эмульсионных слоев между ними, что позволяет осуществлять измерение уровня в тяжелых условиях эксплуатации.

Погрешность измерения уровня зависит от правильности калибровки прибора для рабочих условиий эксплуатации. Если рабочие параметры изменятся, то измерение уровня будет проводиться с повышенной погрешностью. Буйковые уровнемеры с торсионным подвесом особенно требовательны к периодическому техническому обслуживанию и к корректной калибровке. Кроме того подобные уровнемеры могут быть повреждены в условиях резких перепадов уровня. Применение буйковых уровнемеров на диапазонах измерений более 5 м считается нецелесообразным, в основном из-за сложности монтажа

...