Тема 3.9. Датчики для измерения уровня.

Измерение уровня жидкостей или сыпучих материалов, находя­щихся в бункерах, силосах, баках и подобных емкостях, необходи­мо для установления количества их, а в ряде случаев для обеспече­ния поддержания заданного уровня.

 

Приборы для измерения уровня бывают:

1) Визуальные с непосредственными наблюдениями за положением уровня;

2) поплавковые, у которых чувствительный элемент - поплавок погружен в измеряемую жидкость;

3) мембранные, у которых чувствительный элемент - мембрана и давление столба жидкости уравновешиваются упругой деформацией пружины;

4) манометры или дифференциальные манометры (поплавковые, мембранные), у которых давление, создаваемое столбом жидкости в измеряемом резервуаре и в уравнительном сосуде, уравновеши­вается давлением столба затворной жидкости или механизмом при­бора;

5) емкостные, у которых используется изменение электрической емкости преобразователя при изменении уровня измеряемой среды;

6) ультразвуковые, принцип действия  ультразвуковых уровнемеров основан на принципе локации.

3.9.1. Визуальные уровнемеры.

  Визуальные уровнемеры построены по принципу сообщающихся сосудов. Уровнемеры имеют стекло, закрепляемое с таким расчетом, чтобы середина его находилась на высоте требуе­мого уровня жидкости. При этом высота стекла должна охватывать всю зону колебания уровня (рис. 44).

Стекло закреплено в стальном патроне, при помощи трубок соединенном с сосудом (бак, котел и т. п.), уровень жидкости в котором требуется измерять.

1. бак, 2.вентиль, 3.уровнемер

Рис.44. Визуальный уровнемер.

Поплавковые уровнемеры.

Поплавковые уровнемеры построены на том, что поплавок, час­тично погруженный в жидкость, при изменении уровня жидкости в сосуде может перемещаться по вертикали, фиксируя тем самым ее уровень.

Д

Uпит

реостат

поплавок

Рис. 45

И

На рис.45 показан поплавковый уровнемер. При изменении уровня жидкости поплавок, через систему рычагов передвигает движок Д реостата. При этом сопротивление реостата меняется, изменяя ток в электрической цепи, индикатор И реагирует на изменение тока, соответственно положению поплавка.

Поплавковый сигнализатор уровня жидкости ЭСУ-1М и ЭСУ-2М (рис.46а), предназначен для контроля за положением уровня жидкости в различного рода резер­вуарах.

Рис. 46 а) схема по­плавкового уровнемера;        б) схема мембранного уровнемера.

а

б

Чувствительный элемент реле - поплавок 1 подвешен к тросу 2, огибающему блок 3; на другом конце троса прикреплен контргруз 4. Контактное устройство - реле 5 представляет собой пружинный переключатель мгновенного действия с одним открытым и одним закрытым ртутным контактом. Переключение контактов происходит при помощи муфт 6, установленных на тросе, при дости­жении заданного нижнего или верхнего уровня жидкости. Муфты 6 перемещаются вместе с тросом и при достижении поплавком задан­ного уровня упираются в рычаг 7, который может поворачиваться на оси 5. При его помощи переключают контакты реле 5. Переключаю­щиеся ртутные контакты могут быть использованы в цепях сигнали­зации положения уровня или для включения или выключения насосов, подающих жидкость в резервуар или откачивающих жидкость из него.

В мембранном уровнемере (рис.46) используется труба, опускаемая в воду, верхний конец которой герметично закрыт куда встроен штуцер 1 (рис. 46б). При изменении уровня жидкости в трубе меняется давление, которое через штуцер 1 передаётся в сильфон 2, который через систему рычагов 7-13 двигает стрелку прибора 14.

 

Дифференциальные манометры.

Позволяют измерять уровень жид­кости в сосудах, находящихся под давлением и без него. Диапазон измеряемого уровня очень широк: от нескольких миллиметров до не­скольких метров. Кроме того, результаты измерения можно переда­вать различными способами (пневматическим, электрическим и т. п.) на расстояние.

На рис.47 приведена принципиальная схема измерения уров­ня жидкости в открытом резервуаре при помощи дифманометра.

Рис. 47. Схема измерения уровня жидкости дифманометром.

Та­кую схему применяют, например, для измерения уровней в резер­вуарах водонапорных башен. Дифманометр 1 при помощи стальной трубки 2 присоединяют к резервуару 3, уровень в котором измеряют.перепада давления в камерах диффманометра равна давле­нию столба жидкости в резервуаре и определяет уровень Н запол­нения резервуара.

Обычно диффманометр устанавливают ниже дна резервуара. В связи с этим для устранения влияния на показания дифманометра столба жидкости в соединительной трубке устанав­ливают уравнительный сосуд 4. Его заполняют той же жидкостью, что и резервуар. При измерении уровня в открытом резервуаре уравнительный сосуд устанавли­вают на отметке минимального уровня и соединяют 1 в верхней ча­сти с атмосферой, для поддержа­ния постоянства уровня жидкости в уравнительном сосуде его снаб­жают сливом в дренаж. При контроле уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением, урав­нительный сосуд также соединяет­ся с резервуаром (показано пунк­тирной линией).

Емкостные уровнемеры.

Предназначены для контроля и сигнализа­ции положения уровня материала в резервуарах, бункерах и т. п. В качестве контролируемых сред могут быть жидкие, гранулирован­ные, мелкокусковые и другие материалы.

Работа емкостных приборов ос­нована на отличии диэлектрической проницаемости жид­костей от диэлектрической проницаемости воздуха. Про­стейший первичный преобразователь емкостного прибо­ра представляет собой электрод 1 (металлический стер­жень или провод), расположенный в вертикальной ме­таллической трубе 2 (рис.48а). Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Электрическая схема емкостного уровнемера ЭИУ приведена на рис.48б. Измерение электрической емко­сти первичного преобразователя С_Х производится не­уравновешенным мостом переменного тока, плечами ко­торого являются индуктивности L₁ и L₂, емкость С₁и ем­кость первичного преобразователя С_Х.

Рис. 48. Емкостный уровнемер: а - устройство первичного преобразователя уров­ня, б - электрическая схема уровнемера; 1 - электрод, 2 - труба

При изменении уровня изменяется емкость С_Х, что приводит к измене­нию выходного напряжения моста U.

Емкостные уровнемеры типа ЭИУ могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих ма­териалов: цемента, извести и т. п.

Ультразвуковые уровнемеры.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на принципе локации (рис. 49а). В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала).

Рис.49а. Принцип работы ультразвукового уровнемера.

Схема и внешний вид ультразвукового уровнемера показаны на рис.49б.

Функции источника и приемника ультразвуковых колебаний

выполняет пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы 20кГц, которые преобразуются пьезоэлементом в ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды и воспринимаются тем же пьезоэлементом.

Уровень h вещества определяется из выражения:

где C – скорость распространения ультразвука в данной среде,

t – время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения.

Рис.49б. Ультразвуковой уровнемер.

Преимуществом ультразвуковых уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня агрессивных, абразивных клейких, вязких, неоднородных, кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.