Методы измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов

4.7 Радиоизотопные уровнемеры

Радиоизотопные уровнемеры состоят из экранированного радиоизотопного источника, размещаемого с одной стороны резервуара или трубы, и приемника, размещаемого на противоположной стороне. Гамма-лучи излучаются источником и направляются через стенку резервуара, через находящуюся в нем среду, в сторону противоположной стенки резервуара, где находится приемник. В радиоизотопных сигнализаторах уровня применяются источники определенного размера, обеспечивающие уровень радиации который обнаруживается при отсутствии материала между источником и приемником.

Рис. 4.7. Общий вид радиоизотопного уровнемера

В радиоизотопных уровнемерах используются аналогичные источники, но они определяют величину поглощения гамма-излучения, проходящего от источника к детектору через толщу измеряемого продукта. Доза облучения, регистрируемого приемником, обратно пропорциональна количеству продукта в резервуаре. Несмотря на то, что слово "радиоизотопные" иногда вызывает опасения, имеется документально подтвержденный опыт безопасного применения данного метода в течение более 30 лет.

Самым большим преимуществом радиоизотопного метода измерений является то, что он абсолютно не требует контакта с процессом, то есть технологических присоединений для установки прибора на резервуаре не требуется. Кроме того, радиоизотопные уровнемеры являются бесконтактными и не подвергаются воздействию высоких температур, давлений, агрессивных, абразивных и вязких материалов, нечувствительны к перемешиванию, засорению или заиливанию. Они могут применяться для непрерывного измерения уровня или сигнализации уровня жидкостей, сыпучих сред, а также для определения уровня границы раздела сред.

Значительные колебания плотности, особенно изменения концентрации водорода в продукте, могут вызывать ошибки измерений. Отложения материала на стенках резервуара также могут влиять на результаты измерений. Для использования радиоизотопного метода требуется разрешение на использование и обязательный контроль отсутствия утечек радиации, а также соблюдение жестких требований по охране труда и технике безопасности при обращении с источниками излучения и их утилизации. К тому же радиоизотопные уровнемеры имеют довольно высокую стоимость.

4.8 Лазерные уровнемеры

Рис. 4.8 Лазерный уровнемер

В лазерном уровнемере применяется источник сфокусированного инфракрасного излучения, которое посылается к поверхности среды. Лазерное излучение отражается от большинства жидких и сыпучих сред. Для измерения расстояния от уровнемера до поверхности измеряется с высокой точностью время распространения инфракрасного излучения.

Узкий сфокусированный лазерный луч делает эти уровнемеры подходящими для применения в резервуарах с ограниченным внутренним пространством. Это бесконтактный уровнемер, без подвижных частей, требующий технического обслуживания в небольшом объеме. Лазерные уровнемеры хорошо работают в непрозрачных, хорошо отражающих жидкостях или сыпучих средах. Лазерные уровнемеры могут отрабатывать быстрые изменения уровня и могут обеспечивать измерение уровня на больших диапазонах.

Для нормальной работы лазерного уровнемера защитное стекло лазерного излучателя должно оставаться чистым. Поэтому уровнемеры этого типа не могут работать в условиях запыленности или при наличии тумана. В дополнение, лазерный луч может не отразиться от поверхности спокойных, прозрачных жидкостей. При монтаже крайне важно выдержать перпендикулярность оси уровнемера к поверхности жидкости.

4.9 Магнитострикционные уровнемеры

Рис. 4.9. Возникновение магнитострикции при взаимодействии магнитных полей

Магнитострикционные уровнемеры определяют момент пересечения двух магнитных полей, одно из которых создается магнитом поплавка, а другое - волноводом. Электроника генерирует токовый импульс малой мощности, распространяющийся по волноводу, и, когда магнитное поле импульса взаимодействует с полем, создаваемым магнитом поплавка, возникает "скручивание" чувствительного элемента. При этом создается ультразвуковая волна, время распространения которой измеряется электроникой уровнемера.

Магнитострикционные уровнемеры отличаются низкой погрешностью измерений (±1 мм). Одним уровнемером можно измерять как уровень, так и уровень границы раздела сред, а также измерять температуру процесса в одной или нескольких точках.

Магнитострикционный уровнемер измеряет положение поплавка, таким образом, изменение плотности измеряемой среды вызовет повышенную погрешность измерения. Поскольку поплавки соприкасаются с измеряемой средой, они могут потерять подвижность, и подвергаются коррозии. Уровнемеры для больших диапазонов измерения (более 3 м) могут быть выведены из строя турбулентной поверхностью или из-за ошибок в монтаже. Кроме того, магнит поплавка притягивает все металлические частицы, содержащиеся в жидкости, что изменяет свойства поплавка.

4.10 Магнитные указатели уровня

Магнитный указатель - это вертикальный индикатор, состоящий из камеры, установленной на технологическом резервуаре, и колонки с визуальными указателями для индикации уровня. В камере размещены магнитные поплавки, которые движутся вверх и вниз вместе с поверхностью среды и переключают или перемещают указатели в колонке. Поплавки могут также управлять переключением магнитострикционных датчиков, чувствительных к магнитному полю. Камера указателя изготовлена из немагнитного материала, стойкого к технологическим средам и способного противостоять воздействию температуры и давления. Камера устанавливается на технологическом резервуаре таким образом, что уровень жидкости в камере совпадает с уровнем жидкости в резервуаре, но поверхность среды в камере более спокойная. Камера присоединяется к резервуару чрез отборные трубы и может иметь несколько присоединений. В ней содержатся те же жидкости и границы раздела сред, что и в технологическом резервуаре, при условии, что присоединения обеспечивают надлежащее сообщение камеры и резервуара. Магнитный поплавок или поплавки, находящиеся в камере, рассчитаны таким образом, чтобы находиться на уровне верхней жидкости и/или на границе раздела двух жидкостей с учетом их удельного веса. Указатели обычно состоят из корпуса, в котором помещается колонка с флажками или роликами. Линии силового поля от намагниченного поплавка проходят сквозь стенки камеры и воздействуют на флажки или ролики, в результате чего они разворачиваются обратной стороной, окрашенной в контрастный цвет. Таким образом осуществляется индикация положения поплавка (поплавков) в камере. Уровень жидкости или границы раздела сред в камере поднимается и опускается; соответственно поднимается и опускается поплавок (поплавки), и положение уровня отображается на указателе. Линии магнитного силового поля могут воздействовать также на магнитострикционные датчики или магнитные реле любого типа, например, герконовые, установленные на колонке.

Рис. 4.10. Магнитный индикатор уровня

Магнитные индикаторы уровня обычно применяются, как средство визуальной индикации уровня жидкости в резервуаре и предназначены для технологического персонала. Их преимущество перед обычным смотровым стеклом состоит в том, что в самом указателе не содержится технологическая жидкость, чем устраняется опасность выброса жидкости в окружающую среду в случае разрушения стекла или из-за нарушенного уплотнения. Кроме того, возможно наблюдение за уровнем с расстояния, возможен контроль бесцветных жидкостей, и уровень отчетливо виден даже для жидкостей, которые вызывают загрязнение или травление смотрового стекла. Магнитные индикаторы обычно находятся в эксплуатации десятилетиями.

В магнитных индикаторах уровня используются поплавки, которые подвержены загрязнению и заклиниванию. Если в среде присутствуют железные опилки, они могут захватываться магнитами и вызывать застревание поплавка. Кроме того, липкая среда, содержащая вещества, подобные парафину, может стать причиной застревания или зависания поплавка, если температура камеры опустится ниже температуры технологического процесса.

Поплавки могут повредиться во время гидравлических испытаний, при очистке паром, а также в ходе запуска и остановки технологического процесса. В магнитных индикаторах иногда применяется поплавок-спутник, который магнитно связан с основным поплавком и перемещается вместе с ним. Известны случаи, когда связь основного поплавка с поплавком-указателем нарушается, и в этом случае возникает необходимость возврата индикатора в исходное состояние. Конструкция индикаторов "флажкового" типа сравнительно устойчива к подобным явлениям. В определенных обстоятельствах правилами котлонадзора предусматривается непосредственный контроль уровня технологической среды. В таких случаях магнитные индикаторы не применяются. Конструкция поплавка зависит от давления в резервуаре и удельного веса технологической жидкости во всем диапазоне рабочих температур. Наиболее сложными являются процессы, в которых сочетаются высокая температура, высокое давление и низкий удельный вес, магнитные индикаторы могут применяться при температурах до 538 °C, при давлении свыше 275 бар и в жидкостях с удельным весом 0,4 и ниже.

4.11 Сервоуровнемер

Рис 4.11. Схема сервоуровнемера

В уровнемере, оснащенном сервоприводом, используется реверсивный двигатель, к которому присоединяются трос и буек. Трос, к которому крепится буек, намотан на измерительный барабан. Серводвигатель управляется электронными весами, которые постоянно отслеживают плавучесть частично погруженного буйка. В состоянии равновесия вес частично погруженного буйка компенсируется усилием уравновешивающих пружин. Подъем или опускание уровня вызывает изменение выталкивающей силы. Детектор равновесия воздействует на интегрирующую схему в двигателе, который, в свою очередь, вращает измерительный барабан, и буек поднимается или опускается до восстановления равновесного положения. Обычно сервоуровнемеры монтируются на крыше резервуара в успокоительной трубе. Труба необходима для обеспечения минимальной погрешности измерений и для устранения смещения буйка по горизонтали. Если буек не будет находиться в успокоительной трубе, то на его работу могут повлиять ошибки монтажа. Сервоуровнемеры можно применять и для измерения границы раздела сред. В этом случае буек будет рассчитан для того, чтобы плавать в более плотной среде и тонуть в слое верхней среды. К факторам, влияющим на погрешность системы, относятся: удлинение троса из-за изменений температуры, место установки, деформация резервуара под действием жидкости, что вызывает смещение опорной точки, колебания плотности продукта, а также допуски при изготовлении троса и барабана.

В уровнемере, оснащенном сервоприводом, используется реверсивный двигатель, к которому присоединяются трос и буек. Трос, к которому крепится буек, намотан на измерительный барабан. Серводвигатель управляется электронными весами, которые постоянно отслеживают плавучесть частично погруженного буйка. В состоянии равновесия вес частично погруженного буйка компенсируется усилием уравновешивающих пружин. Подъем или опускание уровня вызывает изменение выталкивающей силы. Детектор равновесия воздействует на интегрирующую схему в двигателе, который, в свою очередь, вращает измерительный барабан, и буек поднимается или опускается до восстановления равновесного положения. Сервоуровнемер обеспечивает непосредственное измерение уровня с малой абсолютной погрешностью (±0,5 мм). Некоторые сервоуровнемеры позволяют дистанционно включать подъем и опускание измерительного буйка в целях контроля воспроизводимости и технических характеристик или для калибровки. Опускание буйка дает также возможность измерить плотность и/или обнаружить границу слоя воды на дне резервуара под поверхностью продукта. Для обеспечения минимальной погрешности измерений буек должен устанавливаться в успокоительной трубе, чтобы ограничить его перемещение по горизонтали. В уровнемере имеется много подвижных частей, которые подвержены механическому износу, а также чувствительны к загрязнению и налипанию. Изменение плотности измеряемого продукта может повлиять на осадку чувствительного элемента в состоянии равновесия. Несмотря на то, что с помощью сервоуровнемера можно измерять плотность и/или обнаружить границу слоя воды, это достигается погружением троса и буйка, в результате чего на них могут оставаться отложения продукта. Это может привести к повышенному объему технического обслуживания для поддержания минимальной погрешности измерений. Во время измерения плотности и положения границы слоя воды измерение уровня продукта невозможно. Обычно сервоуровнемеры монтируются на крыше резервуара в успокоительной трубе. Труба необходима для обеспечения минимальной погрешности измерений и для устранения смещения буйка по горизонтали. Если буек не будет находиться в успокоительной трубе, то на его работу могут повлиять ошибки монтажа. Сервоуровнемеры можно применять и для измерения границы раздела сред. В этом случае буек будет рассчитан для того, чтобы плавать в более плотной среде и тонуть в слое верхней среды.

К факторам, влияющим на погрешность системы, относятся: удлинение троса из-за изменений температуры, место установки, деформация резервуара под действием жидкости, что вызывает смещение опорной точки, колебания плотности продукта, а также допуски при изготовлении троса и барабана.

4.12 Вибрационные сигнализаторы уровня

Вибрационный сигнализатор состоит из вилки с двумя лепестками, который вибрирует на собственной частоте под воздействием пьезоэлемента. Сигнализатор монтируется сверху или сбоку резервуара на фланцевое или резьбовое технологическое присоединение таким образом, чтобы вилка находилась внутри резервуара.

Рис. 4.12. Примеры монтажа вибрационных сигнализаторов уровня в резервуаре

В воздухе вилка вибрирует на собственной резонансной частоте, которая постоянно контролируется электроникой. В момент, когда вилка погружается в жидкость, частота вибрации изменяется. Изменение частоты обнаруживается электроникой сигнализатора, которая в свою очередь, изменяет выходное состояние сигнализатора для оповещения оператора, управления насосом, клапаном. Рабочая частота сигнализатора выбирается таким образом, чтобы избежать влияния вибрации, котрая может присутствовать при работе технологической установки, и возможных ложных срабатываний. Конструкция сигнализатора не содержит каких-либо внешних уплотнений и обычно выполняется из нержавеющей стали, что позволяет применять его при высоких давлениях и температурах. Также доступны варианты с покрытием смачиваемых частей или из специальных материалов для работы в агрессивных средах.

На работу вибрационных сигнализаторов практически не оказывают воздействия: потоки жидкости, турбулентность, пузырьки, пена, вибрации, твердые включения, налипания, отложения, а также изменение свойств / характеристик жидкости. После установки на объекте дополнительной калибровки не требуется. Сигнализаторы имеют минимальные требования к монтажу, отсутствие подвижных частей и зазоров практически полностью исключает потребность в техническом обслуживании.

Вибрационные сигнализаторы уровня непригодны для работы в очень вязких средах. Отложения между элементами вилки приводят к ложным срабатываниям.

4.13 Поплавковые и буйковые сигнализаторы уровня

Поплавковый сигнализатор уровня обычно монтируется на боковой стенке резервуара или в выносной камере и срабатывает, когда поплавок всплывает под действием жидкости, достигающей заданного уровня сигнализации. С поплавком конструктивно связан постоянный магнит, который взаимодействует со вторым постоянным магнитом в корпусе сигнализатора. Конструкция не содержит уплотнений, так как магниты взаимодействуют через стенку корпуса сигнализатора.

Эти простые электромеханические приборы практически безотказны и обеспечивают надежное срабатывание при контроле верхнего или нижнего уровня. Такие сигнализаторы имеют множество исполнений и можно подобрать модель, подходящую к практически любому технологическому присоединению, любому технологическому процессу и любой прикладной задаче.

В тех случаях, когда контролируемые уровни находятся значительно ниже точки монтажа сигнализатора, можно использовать буйковый сигнализатор, принцип действия которого аналогичен принципу действия буйкового уровнемера. Подпружиненный буек на тросе размещается на требуемом уровне.

Буек оказывает нагрузку определённой величины на подвес и пружину. Когда буек погружается в жидкость, сила, действующая на пружину уменьшается, рабочий постоянный магнит поднимается, взаимодействуя со вторым постоянным магнитом в корпусе сигнализатора. Буйковые сигнализаторы часто используются в процессах с очень высокими давлениями и с жидкостями, имеющими низкую плотность.

Рис. 4.13. Примеры монтажа поплавковых сигнализаторов

Благодаря простой конструкции с небольшим количеством элементов, поплавковые и буйковые сигнализаторы очень надежны и просты в обслуживании. Они выдерживают условия процессов с высокими давлениями и температурами, а разнообразие материалов смачиваемых частей позволяет применять сигнализаторы практически в любых жидкостях.

Поплавковые и буйковые сигнализаторы являются простыми пассивными устройствами, не имеющими функций самодиагностики, поэтому рекомендуется осуществлять регулярный контроль их состояния и техническое обслуживание. Подвижные части таких сигнализаторов подвержены загрязнению липкими или вязкими жидкостями.

4.14 Кондуктометрические системы контроля раздела пар/вода

Измеряя сопротивление среды в выносной камере или трубопроводе, возможно обнаруживать воду (ее сопротивление как правило составляет от 2 Ом до 100 кОм) и пар (сопротивление как правило составляет более 10 МОм).

Для измерения уровня воды в барабане котла можно установить набор электродов, смонтированных в выносной камере, присоединенной к барабану. Электроды размещаются над и под нормальным уровнем воды в барабане. Измеряется сопротивление среды на каждом электроде, и ступенчатое изменение сопротивления двух соседних электродов воспринимается как уровень раздела пар/вода. Различное сопротивление воды и пара может быть задействовано в системах предотвращения попадания воды в турбоагрегаты. Измеряя сопротивление среды на электродах, установленных в паропроводах, можно организовать сигнализацию наличия воды и принять соответствующие меры безопасности.

Кондуктометрический метод обнаружения пара и воды - проверенный метод измерения. Разница в сопротивлении воды и пара очень большая, что обеспечивает простоту и надежность измерений. Применение электронного метода измерения уровня воды, обнаружения воды/пара обеспечивает высокий уровень самодиагностики и достоверности измерений по сравнению с механическими уровнемерами из-за отсутствия подвижных частей. Благодаря этому значительно сокращается потребность в техническом обслуживании.

Надежность измерения зависит от качества воды. Обычно она очень чистая, но в загрязненной воде электроды могут давать ложные срабатывания. Тем не менее, передовые модели таких уровнемеров позволят избежать ложных срабатываний даже в таких случаях. Предел рабочей температуры ограничивается применяемыми материалами и составляет 500 °C.

контроль уровень жидкость измерение

Рис. 4.14. Кондуктометрический уровнемер на барабане котла

Размещено на Allbest.ru