Методы и приборы измерения уровня жидкости. Что такое уровнемер? Какие бывают уровнемеры? Определение массы вещества

В пищевой промышленности во многих технологических процессах необходимо измерять уровень жидких или сыпучих материалов, сигнализировать о достижении ими максимального или минимального значения, чтобы не допустить переливов или недосыпов, или недопустимо низкого уровня.

Приборы для измерения уровня делят на две группы:

Уровнемеры, дающие непрерывную информацию о положении уровня в емкости в любой момент времени;

Сигнализаторы, дающие сигнал о достижении уровнем фиксированного значения (верхний, нижний, средний и т.п., в зависимости от того, где установлены чувствительные элементы).

В промышленности используются уровнемеры, основанные на самых разных физических принципах. Рассмотрим основные.

МЕХАНИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Достоинство этих уровнемеров: простота, надежность и невысокая стоимость.

Виды механических уровнемеров: поплавковые, мембранные, контактно-механические и вибрационные.

Поплавковые. Принцип действия: движение поплавка, плавающего на поверхности жидкости передается измерительной части прибора. Эти приборы широко используются в качестве сигнализаторов предельных уровней неагрессивных, слабо кристаллизующихся, неналипающих жидкостей.

Мембранные уровнемepы. Используются для измерения уровня сыпучих, неслеживающихся веществ, например, зерна. Сигнализатор уровня крепится в cтeнкe бункера. Зерно давит на гибкую мембрану, что приводит к переключению электрических кoнтактов микропереключателя.(Используются эти уровнемepы и в хлебопекарной промышленности для контроля за опарой, тестом. Только должен быть обеспечен уxoд - очистка мембран).

Koнтактно-механические уровнемepы . Использовались для измерения уровня сыпучего материала в широком диапазоне. С помощью электромеханической лебедки на поверхность материала опускается специальный щуп. Когда щуп опустится на поверхность сыпучего материала, натяжение троса ослабнет, электролебедка остановится. В этот момент отсчитываются показания на отсчетном устройстве (по длине троса). Затем лебедка включается и щип поднимается.

Вибрационные уровнемepы . Обычно вибрационные датчики имеют форму камертона, который в воздухе колеблется на собственной резонансной частоте. Когда пластины камертона покрываются продуктом, в варианте датчика для жидкостей изменяется частота колебаний, а в варианте датчика для сыпучих материалов – амплитуда. Параметры колебаний воспринимаются приемником и подаются на усилитель.

В вибрационных датчиках отсутствуют подвижные детали, и они не требуют технического обслуживания, В пищевой промышленности вибрационные переключатели заменяют поплавковые уровнемеры (для жидкостей) и рычажковые переключатели (для сыпучих материалов).

Основные достоинства:

Погружаемые в анализируемую среду детали вибрационных датчиков изготовлены из хорошо отполированного металла и соответствуют гигиеническим стандартам;

Вибрационные датчики могут использоваться при температурах до 150ºС и давлениях до 40 бар или 16 бар;

Действие переключателей не зависит от электрических характеристик продукта, плотности пены, турбулентности и посторонних вибраций. Датчики могут использоваться в высоковязких продуктах;

Не требуют калибровки. Арматура позволяет без труда провести регулировку точки срабатывания.

Основные недостатки:

Плотность среды должна быть больше 30 г/л (для жидкостей) и 0,5 г/см 3 (для сыпучих веществ);

При размере частиц больше 10 мм эти датчики применять нельзя.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Эти уровнемepы основаны на измерении давления столба жидкости или выталкивающей сипы, действующей на тело, погруженное в жидкость.

В пищевой промышленности используются буйковые, пьезометрические (барботажные), гидростатические уровнемеры-манометры и дифманометры.

Буйковые уровнемepы основаны на измерении выталкивающей силы, действующей на буек, погруженный в жидкость и удерживаемый в ней с помощью пружины или торсионной трубки. Уравновешивающая сила – усилие обратной связи развивается силовым механизмом обратной связи - электрическим или пневматическим. Выпускается большая номенклатура буйковых уровнемеров, сигнализаторов и регуляторов с механической, пневматической и электрической системой дистанционной передачи. Классточности приборов 1 и 1,5. Предельно допустимое рабочее избыточное давление 10 МПа.

Пьезометрические уровнeмеpы. Через слой жидкости в резервуаре продувают очищенный воздух. Уровнемер (рис. 2.8) состоит из опускаемой в резервуар трубки 1, к которой присоединяется манометр 5 для измерения давления Р в трубке, а следовательно, и статического напора жидкости, пропорционального высоте столба жидкости Н над выходным отверстием барботажной трубки.

Давление воздуха в трубке измеряют с помощью манометра.

Эти приборы можно использовать для измерения уровня агрессивных, загрязненных и быстрокристаллизующихся жидкостей. Tочность измерений + 1,5% при постоянной плотности жидкости.

Гидростатические уровнемеры-манометры и дифманометры основаны на измерении давления, создаваемого столбом жидкости. Это давление определяется с помощью манометров. Гидростатические преобразователи уровня являются наиболее простыми средствами измерения и поэтому наиболее широко используются в пищевой промышленности. Тензодатчик преобразует давление, оказываемое жидкостью на диафрагму в электрический сигнал. В том случае, когда плотность жидкости известна, сигнал обеспечивает непосредственную индикацию уровня.

Основные достоинства:

Выпускается большое количество различных типов чувствительных диафрагм, устанавливаемых с помощью устройств, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам;

Характеризуются высокой надежностью в работе, не требуют технического обслуживания. Могут использоваться в вязких, пастообразных и пенообразных средах;

Обеспечивают стабильные измерения в процессе перемешивания (в турбулентной среде);

Идеальны при измерении уровня продуктов с меняющимися электрическими параметрами;

Применение преобразователя перепада давлений и второго датчика давления и пересчетного устройства позволяет проводить измерения уровня в емкости высокого давления и резервуарах, находящихся под вакуумом;

Значение уровня измеряется с высокой точностью.

Недостатки:

Могут использоваться только для измерения уровня жидкости;

Не пригодны для измерения уровня жидкостей, имеющих температуру выше 100ºС.

На рынке средств измерений представлены приборы, реализующие разнообразные методы измерения уровня, у каждого из которых есть как преимущества, так и недостатки. Нет универсального решения для всех случаев, но в некоторых процессах могут быть работоспособны несколько методов измерения. В текущем разделе описаны наиболее распространенные методы измерения уровня, их достоинства и недостатки.

1. Волноводные уровнемеры

1.1 Принцип измерения

Волноводный уровнемер (Guided wave radar - GWR) также называют радаром с временным разрешением (TDR), микроимпульсным радаром (MIR).

Волноводный уровнемер устнавливается 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:

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

1.2 Преимущества

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 начличии продукта в резервуаре.

1.3 Ограничения

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.

Непрерывное измерение уровня

2.1 Принцип измерения

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.

2.2 Преимущества

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. 2.1. Бесконтактные радары с антеннами различных типов для применения в различных условиях.

2.3 Ограничения

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.

Непрерывное измерение уровня

3.1 Принцип измерения

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. 3.1. Пример установки ультразвукового уровнемера

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

3.2 Преимущества

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.

3.3 Ограничения

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. Ультразвуковые методы измерения и сигнализации уровня осадка в жидкости

Непрерывное измерение уровня

4.1 Принцип действия

Мониторинг содержания твердых частиц

Пара излучатель/приемник ультразвукового сигнала погружаются в резервуар, либо могут бытьустановлены в трубе. Ультразвуковой сигнал, который передается от излучателя к приемнику, ослабляется твердыми частицами в суспензии. Мощность полученного сигнала обратно пропорциональна содержанию твердых частиц в суспензии (плотности суспензии).

Рис 4.1 Принцип измерения содержания твердого осадка

Измерение уровня осадка

Ультразвуковой уровнемер может быть применен для обнаружения присутствия слоя осадка в жидкости и измерения его уровня в осветлителе или сгустителе.

Чувствительный элемент ультразвукового уровнемера погружается в надостаточную жидкость и ультразвуковые импульсы направляются вертикально вниз к слою осадка. Слой осадка отражает импульсы, которые улавливаются чувствительным элементом уровнемера.

Измерительная система измеряет время распространения импульса от уровнемера до слоя осадка. Если задать в уровнемере опорную высоту и скорость звука в жидкости, блок электроники вычислит уровень осадка.

Рис. 4.2

4.2 Преимущества

Ультразвуковые уровнемеры просты в монтаже, часто имеют встроенные средства настройки, и таким образом могут быть быстро запущены в эксплуатацию.

Так как чувствиельный элемент уровнемера погружной, измерение не зависит от состояния поверхности, наличия испарений и пены на поверхности.

Принцип измерения не зависит от оптических свойств жидкости, обеспечивает отсутствие подвижных частей, таким образом подобные измерительные системы практически не нуждаются в техническом обслуживании.

4.3 Ограничения

Погружные ультразвуковые уровнемеры разработаны для работы в жидкостях, содержание взеси в которых находится в пределах 0,5 .. 15%. Если в надосадочной жидкости содержится большее количество взеси, то измерительный ультразвуковой сигнал может быть полностью рассеян.

Ультразвуковой сигнал также может ослабляться пузырьками воздуха/газа в надосадосной жидкости. Пузырьки газа/воздуха могут увеличить погрешность измерения.

Дополнительное ограничение - необходимо обеспечить постоянное погружение чувствительного элемента.

5. Датчики давления

Непрерывное измерение уровня

5.1 Принцип измерений

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.

Измерение уровня в открытом резервуаре

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).

Измерение уровня в закрытом резервуаре

Если резервуар 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. 5.1. 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 далений на отборах (дифференциальное давление) используется для определения уровня.

Уровень = Дифференциальное давление / Удельный вес

5.2 Преимущества

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.

5.3 Ограничения

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.

6. Емкостные уровнемеры

6.1 Принцип измерения

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:

С = емкость в фарадах;

К = диэлектрическая постоянная материала; A = площадь пластин в квадратных метрах;

D = расстояние между пластинами в метрах;

Рис. 6.1.

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.

6.2 Преимущества

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.

6.3 Ограничения

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.

Непрерывное измерение уровня

7.1 Принцип измерения

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. 7.1. Общий вид буйкового уровнемера

7.2 Преимущества

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.

7.3 Ограничения

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

Непрерывное измерение и дискретный контроль уровня

8.1 Принцип измерения

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. 8.1. 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.

8.2 Преимущества

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, агресивных, 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.

8.3 Ограничения

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.

9. Лазерные уровнемеры

Непрерывное измерение уровня

Рис. 9.1

9.1 Принцип измерения

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.

9.2 Преимущества

Узкий сфокусированный лазерный луч делает эти уровнемеры подходящими для применения в резервуарах с ограниченным внутренним пространством.

Это бесконтактный уровнемер, без подвижных частей, требующий техничекого 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.

9.3 Ограничения

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, прозразных жидкостей. При монтаже крайне важно выдержать перпендикулярность оси уровнемера к поверхности жидкости.

Непрерывное измерение уровня

Рис. 10.1. Возникновение магнитострикции при взаимодействии магнитных полей

10.1 Принцип измерения

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.

10.2 Преимущества

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.

10.3 Ограничения

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.

11. Магнитные указатели уровня

Непрерывное измерение уровня

11.1 Принцип измерения

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. 11.1

11.2 Преимущества

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.

11.3 Ограничения

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.

Рис. 1.1 Схема сервоуровнемера

12.1 Принцип работы

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.

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.

12.2 Преимущества

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 абслоютной 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. 

Дискретный контроль уровня

13.1 Принцип действия

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. 13.1. 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.

13.2 Преимущества

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.

13.3 Ограничения

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

Дискретный контроль уровня

14.1 Принцип действия

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. 14.1. Примеры монтажа поплавковых сигнализаторов

14.2 Преимущества

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.

14.3 Ограничения

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.

15. Кондуктометрические системы контроля раздела пар/вода

Непрерывное измерение и дискретный контроль уровня

15.1 Принцип измерения

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 соответсвующие меры безопасности.

15.2 Преимущества

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 отсутсвия подвижных частей. Благодаря этому значительно сокращается потребность в техническом обслуживании.

15.3 Ограничения

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 темпертуры ограничивается применяемыми материалами и составляет 500 °C.

Рис. 15.1 Кондуктометрический уровнемер на барабане котла

16. Сравнительный обзор методов измерения уровня

* Изменения диэлектрической постоянной влияет на погрешность измерения уровня границы раздела сред.

** Общий уровень хорошо, уровень поверхности раздела - удовлетворительно.

17. Сравнительный обзор методов сигнализации уровня

1 = Хорошо: это условие слабо влияет или не оказывает воздействия на эффективность данного метода.

2 = Удовлетворительно: этот метод может работать в данных условиях, но надежность измерений может быть снижена или может потребоваться специальный монтаж.

3 = Плохо: этот метод не подходит для данных условий.