Классификация приборов для измерения уровня

При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и тд.

Устройство для измерения уровня жидкости можно подразделить на следующие:

- визуальные

- поплавковые, в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости

- буйковые, в которых для измерения уровня используется массивное тело (буек), частично погружаемое в жидкость

- гидростатические, основанные на изменении гидростатического давления столба жидкости

- электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости

- ультразвуковые, основанные на принципе отражения от поверхности звуковых волн

- радарные и волноводные, основанные на принципе отражения от поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ)

- радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости

Помимо классификации уровнемеров по принципу действия, эти приборы делятся на:

- приборы для непрерывного слежения за уровнем

- приборы для сигнализации о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня)

 

Визуальные уровнемеры

а – проходящего света; б – отраженного света; в – составного типа

Данный тип приборов является простейшим. К нему относятся так называемые указательные стекла. В основе работы указательных стекол лежит принцип сообщающихся сосудов.

Трубка указательного стекла соединяется с контролируемой емкостью либо одним нижним концом (с открытыми сосудами), либо обоими концами (с сосудами под разрежением или давлением).

Об изменении уровня в сосуде можно судить по положению уровня жидкости в стеклянной трубке.

Указательные стёкла могут быть оснащены кранами или вентилями для их отключения от сосуда и для продувки системы.

В арматуре указательных стекол, работающих под давлением, как правило, имеются предохранительные устройства, автоматически перекрывающие каналы при аварийном разрушении стекла.

Указательные стекла бывают проходящего света (рис.1, а) и отраженного света (рис.1, б).

Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300 °С.

Не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 500 мм, поэтому для контроля таких перепадов уровня следует устанавливать несколько стекол последовательно (рис. 1, в).

Поплавковые уровнемеры

Среди существенных разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона обычно представляют собой устройство, содержащее шарообразный поплавок d=80-100мм, выполнен из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение, соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем двух угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы.

а) узкого диапазона

б) широкого диапазона

1 поплавок

2 гибкий трос

3 шкала

4 противовес

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рисунок б) представляет собой поплавок 1, связанный с противовесом 4, гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значению уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок-противовес» только при определенной глубине поплавка.

Буйковые уровнемеры

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явлении, описываемое законом Архимеда.

Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью, больше плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость.

Преобразователь (электрический или пневматический) формирует выходной сигнал, который является выходным сигналом уровнемера. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг, не станет равной нулю.

Герметизация технологического аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной мембраной. При необходимости буек может быт установлен в выносной камере, располагаемой вне технологического аппарата.

 

Гидростатические уровнемеры

Данный метод измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Измерение гидростатического давления может осуществляться:

- датчиком избыточного давления (манометром), подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;

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

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

Более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.

Рис. 2. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления

Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рис. 2.

Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой.

В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления.

Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС).

В последнее время широкое распространение получили датчики гидростатического давления ДГ. У них, как и у дифманометров, имеется две измерительные камеры, одна из которых выполнена в виде открытой мембраны, вторая в виде штуцера. Данный уровнемер всегда закрепляется непосредственно у дна резервуара, поэтому не имеет импульсных трубок, а значит, отсутствует необходимость в компенсации высоты импульсной трубки.

Его работа основана на принципе гидравлического затвора. Пьезометрическая трубка П размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Для измерения уровня используют воздух или инертный газ под давлением, который продувает через слой жидкости. Газ поступает в трубку через дроссель Д, служащий для ограничения расхода. Давление газа Р после дросселя измеряется дифманометром ДД.

В случае измерения уровня в сосудах, заполненных агрессивными жидкостями и газов обязателен непрерывный подвод воздуха или инертного газа в обе линии, подсоединяемые к дифференциальному манометру. Для наблюдения за непрерывностью на каждой лини устанавливают стеклянные контрольные сосуды КС с водяным затвором, которому видно движение воздуха или ротомеры. Количество подводимого воздуха устанавливают регулирующими вентилями РВ.

Электрические уровнемеры

К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Наибольшее распространение получили емкостные уровнемеры икондуктометрические (омические) уровнемеры.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров.

Измерительная схема емкостного уровнемера приведена на рис. 1.

Рис. 1. Ёмкостной уровнемер: 1, 2 - электроды; 3 - электронный блок

В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости.

Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.

Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость.

При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.

Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два.

Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания

В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольныеэлектроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих наэлектроды преобразователей.

Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковые уровнемеры (частота выше 20 КГц) позволяют измерять уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуковых волн от границы раздела «жидкость - газ (воздух)».

Прибор состоит из электронного блока (ЭБ), пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора. Электронный блок состоит из генератора, задающего частоту повторения импульсов, генератора импульсов, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителяи измерителя времени.

Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный ультразвуковым методом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения. Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2%.

Основные достоинства метода:

• бесконтактный;

• применим для загрязнённых жидкостей;

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

• независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

• большое расхождение конуса излучения;

• отражения от нестационарных препятствий (например, мешалок)

могут вызвать ошибки измерения;

• применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

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

Радарные уровнемеры

Существует множество самых различных методов контроля уровня, позволяющих получать информацию как о предельных его значениях, так и о текущем значении. Гораздо меньшее число методов реализовано в промышленных системах. Некоторые из реализованных методов являются уникальными, и случаи их применения можно пересчитать по пальцам одной руки, другие – гораздо более универсальны и потому широко используются в серийных системах. Но есть и методы, удачно сочетающие в себе и уникальность, и универсальность. В первую очередь, к ним можно отнести микроволновый бесконтактный метод, в просторечии небезосновательно именуемый радарным. Этот метод, с одной стороны, обеспечивает минимальный контакт измерительного устройства с контролируемой средой, а с другой стороны – практически полностью нечувствителен к изменению её температуры и давления. Причем и температура, и давление могут иметь значения, недопустимые для применения других методов, в первую очередь, контактных. Безусловно, уникальность возможностей не может не сказываться на цене приборов. Но прогресс в этой области настолько велик, а преимущества метода столь очевидны, что можно достаточно уверенно прогнозировать очень широкое распространение радарных систем контроля уровня уже в самом недалеком будущем.

При всех существующих различиях общим остается принцип действия: излучённый СВЧ - сигнал отражается от контролируемого объекта, принимается обратно и соответствующим образом обрабатывается (рис.5.15). Результатом обработки является значение того или иного параметра объекта: дальность, скорость, на- правление движения и т.д. Вне зависимости от используемого принципа в радарных уровнемерах применяются СВЧ - сигналы с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц.

В настоящее время в радарных системах контроля уровня применяются преимущественно метод определения расстояния, основанный на непосредственном измерении времени прохождения СВЧ – импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно. Однако время прохождения сигнала дистанции в несколько метров составляет всего единица нано секунд. Энергозатраты таких приборов минимальны, что дает им большое преимущество.

Волноводные уровнемеры

Данный тип уровнемеров относится к уровнемерам контактного типа. Принцип действия волноводного уровнемера основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением TDR (Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической проницаемости, отличной от проницаемости газа над поверхностью среды, то из-за разности коэффициентов диэлектрических проницаемостей происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения уровня, поскольку радиоимпульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению.

Рис. 5.20. Схема измерения уровня волноводным уровнемером

Поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими горловинами. В случае необходимости съемная го- лова датчика позволяет заменять модуль электроники, не нарушая герметичности резервуара, что может быть важно при измерении уровня сжиженных газов и аммиака.

Волноводный уровнемер (рис 5.21) включает следующие основные элементы: корпус, электронный модуль, фланцевое или резьбовое соединение с резервуаром и зонд. Корпус уровнемера, состоящий из двух независимых отсеков (отсек электроники и клеммный отсек для подключения кабелей), может быть снят с зонда, при этом открывать резервуар не требуется. Кроме того, корпус такой конструкции повышает надежность и безопасность уровнемера при эксплуатации в опасных производствах. Электронный модуль излучает электромагнитные импульсы, которые распространяются по зонду, выполняет обработку отраженного (принятого) сигнала и выдает информацию в виде аналогового или цифрового сигнала на встроенный жидкокристаллический индикатор или в систему измерения.

 

Радиоизотопные уровнемеры

Уровнемеры с радиоизотопными излучателями делятся на две группы:

1) со следящей системой, для непрерывного измерения уровня;

2) сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения.

Принципиальная схема следящего уровнемера приведена на рис. 5.13. Действие прибора основано на сравнении интенсивностей потоков γ лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Комплект прибора состоит из трех блоков:

1) преобразователя, содержащего источник и приемник излучения;

2) электронного блока;

3) показывающего прибора.

Преобразователь на фланцах 4 присоединен к вертикальным трубкам 2, установленным внутри объекта измерения. Расположенный в герметичном корпусе преобразователя реверсивный двигатель 6 через червячную передачу 7 вращает барабан 8, на котором укреплена стальная лента 3. На концах ленты свободно висят источник излучения 1 и приемник излучения 13. Электрический сигнал от приемника излучения через гибкий кабель 11 передается на электронный блок. При перемещении приемника кабель фиксируется в определенном положении при помощи ролика 14 с грузом. Лента 3 проходит через зубчатый ролик 9, на оси которого расположен первичный сельсин 10.

 

Рис.5.13. Радиоизотопный уровнемер:

1-источник излучения; 2-трубки; 3- стальная лента; 4-фланцы; 5-свинцовый контейнер; 6-реверсивный двигатель; 7- червячная передача; 8-барабан; 9- зубчатый ролик; 10-первичный сельсин; 11-гибкий кабель; 12-показывающий прибор; 13-приемник излучения; 14- ролик с грузом; 15-свинцовая пробка

Вторичный сельсин находится в показывающем приборе. Ось вторичного сельсина через редуктор связана со стрелками показывающего прибора 12, который имеет две шкалы, градуированные в метрах и сантиметрах. В показывающем приборе имеется преобразователь, преобразующий угловое перемещение оси вторичного сельсина, пропорциональное положению уровня, в стандартный пневматический сигнал. Стандартная индукционная катушка служит для связи с вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы.

Для обеспечения радиационной защиты персонала при транспортировке, монтаже и ремонтных работах внутри объекта измерения источник излучения перемешается автоматически в свинцовый контейнер 5. Отверстие в контейнере при этом закрывается свинцовой пробкой 15, жестко связанной с источником. Диапазон измерения уровня прибором до 10 м, основная погрешность измерения не превышает 1 см.

Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесообразно там, где другие методы измерения непригодны.

 

ПРИБОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ

Требования к приборам температуры

Обслуживание

Измерение температур имеет важное значение в промышленном производство. Во многих технологических процессах химической и нефтеперерабатывающей промышленности температурный контроль имеет решающее значение. Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температурой называют физическую величину, количественно характеризующую меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термо-ЭДС, интенсивности излучения и т.д.).

Средство измерения температуры называют термометром.

1) Абсолютная термодинамическая шкала измеряется в Кельвинах. Градус кельвина 1/273,16 части температурной точки воды.

2) Десятичная температурная шкала 1742 г. Цельсии

3) Шкала Фаренгейта – для нуля используют Т замерзание солевого раствора, для верхней точки «тело здорового англичанина», шкала 180 частей.

4) Шкала Реомюра делится на 80 частей.

Реперные точки – это фиксированные значения температур, соответствующие, либо плавлению, либо затвердению. 1968г. Принято: международная практическая температурная шкала МПТШ. 1990г. Принято: международная температурная шкала МТШ-90.

Классификация средств измерения:

		Измерение температуры
Контактные термометры				Бесконтактные термопары
Термометры расширения				Пирометры
Манометрические термометры				Радиометры
Термо-электрические (термопары)				Тепловизоры
Термопары сопротивления

Термометр расширения

Их принцип основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры.

Жидкостные стеклянные термометры (- 30/600^оС)

1 капилляр

2 термометрическвая жидкость

3 шкала

4 резервуар

В качестве рабочей жидкости ртуть, толуол, этиловый спирт. Достоинства ртути: не смачивает стенки капилляра, имеет стабильный коэффициент расширения.

Недостатки: небольшой коэффициент расширения.

Недостаток органической жидкости смачиваемость стекла и непостоянство коэффициента расширения. Точность зависит от способа и места установки.

1. В защитных гильзах

2. Прямое погружение

Все термометры расширения устанавливают на участке с восходящим потоком, для защиты термометра используют гильзу и тепловую изоляцию, если вторым способом, то отводят тепло, используют под небольшим давлением и кратковременно.

Электро-контактные термометры расширения – при изменении Т столбик ртути доходит до нового значения, замыкая и размыкая электрическую сеть этот сигнал подается в цепь управления, может служить сигнализатором.