Поплавок; 2 – трос ; 3 – шкала; 4 – противовес

Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рисунок 14) обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80-200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы. Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые (рисунок 14, а) и камерные (рисунок 14, б), отличающиеся способом их установки на технологических аппаратах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров – 10÷0÷10 мм, максимальный – 200—0—200 мм. Класс точности 1,5. Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рисунок 14, в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок – противовес» только при определенной глубине погружения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние равновесия системы «поплавок – противовес» описывается уравнением , где G _г, G _п – силы тяжести противовеса и поплавка; S – площадь поплавка; h ₁ – глубина погружения поплавка; ρ_ж – плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство нарушается и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h ₁. При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h ₁. Для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуаре применяют сельсинные системы передачи. Обычно ось сельсина-датчика кинематически связана с барабаном, вращение которого осуществляется в процессе перемещения троса, а ось сельсина-приемника – со счетным механизмом. В номенклатуру средств контроля уровня ГСП входит поплавковый уровнемер, предназначенный для измерения уровня нефтепродуктов в резервуаре.

Рисунок 14 – Схемы поплавковых уровнемеров

Уровнемер (рисунок 14, г)представляет собой поплавок 1, подвешенный на перфорированной стальной (мерной) ленте 2. Для исключения горизонтальных перемещений поплавка предусмотрены направляющие струны 3. Отличительной особенностью уровнемера этого типа является то, что в нем осуществляется натяжение мерной ленты пружинным двигателем. Двигатель состоит из барабанов 5 и 6. Когда поплавок находится в крайнем верхнем положении, Мерная лента 2 сматывается на барабан – накопитель 4. При понижении уровня жидкости сила тяжести поплавка преодолевает силы трения в подвижной системе и усилие, создаваемое пружинным двигателем. В результате поплавок перемещается вниз. Перемещение поплавка вниз сопровождается вращением барабана-накопителя 4 и сматыванием ленты 6 пружинного двигателя с барабана 5 на барабан 7. При перемещении поплавка вверх Натяжение мерной ленты уменьшается и лента пружинного двигателя перематывается на барабан-накопитель 4. В процессе перемещения мерная лента вступает в зацепление со штырями мерного шкива 9, на оси которого укреплен счетный механизм 5, представляющий собой десятичный счетчик с наименьшей ценой деления 1 мм. Для передачи информации на расстояние к валу отсчетного устройства может быть подключен преобразователь угла поворота в электрический или пневматический унифицированные сигналы. Минимальный диапазон измерений 0-12 м, максимальный 0-20 м. Абсолютная погрешность измерения ±4 и ±10 мм.

 

Тема 6.4 Гидростатические уровнемеры

Измерение уровня этим методом определяется гидростатическим давлением, оказанным жидкостью на место установки датчика давления. Измерение уровня методом гидростатического давления может осуществляться:

• дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высотах, соответствующих нижнему предельному значению уровня и газовому пространству над жидкостью;
• датчиком избыточного давления, который подключается на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;
• измерением давления газа (воздуха), подкачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние (пьезометрический метод).

На рисунке 15 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления. Необходимый для этого датчик ДИ может быть любого типа с соответствующими пределами измерений. При измерении уровня датчиком избыточного давления присутствуют погрешности измерения, возникающие из за класса точности измерительного прибора, изменения плотности жидкости, а также колебаний атмосферного давления.

В случае когда емкость находится под избыточным давлением, данная измерительная схема не применима, т.к. к давлению столба жидкости прибавляется избыточное давление над поверхностью жидкости, не учитываемое данной измерительной схемой.

 

Рисунок 15 – Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления

В связи с этим, 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. Плюсовая камера дифманометра через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой (рисунок 16). 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, то используют уравнительные сосуды. В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления.

Рисунок 16 – Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления

При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рисунок 17 и 18. Уравнительный сосуд в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня, и соединяют с аппаратом. Статическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки.

Рисунок 17 – Измерение уровня в закрытых резервуарах при помощи датчика гидростатического давления без уравнительного сосуда.

Рисунок 18 – Измерение уровня в закрытых резервуарах при помощи датчика гидростатического давления с уравнительным сосудом.

В промышленности для измерения уровня агрессивных средств применяются так же пьезометрические (барботажные) гидростатические уровнемеры. Они представляют собой открытую с одного конца измерительную трубку, опускаемую в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется. Через эту трубку продувается воздух, который барботирует через жидкость в виде пузырьков. Давление воздуха в трубке Р является мерой уровня жидкости (рисунок 19). При этом следует учитывать влияние плотности жидкости, так как Р = g∙H.

Рисунок 19 – Пьезометрический уровнемер. П – пьезометрическая трубка; Д – дроссель; ДД – дифманометр.

В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом. Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к резервуару осуществляется через разделительные сосуды или разделительные мембраны.

 

Тема 6.5 Электрические уровнемеры

Электрические уровнемеры бывают ёмкостные и кондуктометрические.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня. При измерении уровня агрессивных 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 (рисунок 20).

Рисунок 20 – Емкостной уровнемер

Основные достоинства:

· емкостные уровнемеры широко используются в пищевой промышленности в качестве средства непрерывного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов или для коммутации средств регулирования;

· поскольку пищевой продукт контактирует только с металлическим стержнем или тросом, то проблемы санитарно-гигиенических норм легко решаются.

Недостатки:

· измерение уровня продуктов с изменяющейся диэлектрической постоянной будет происходить с ошибками;

· в случае очень вязких продуктов может возникать эффект «обволакивания» датчика и, как следствие, возрасти погрешность измерения;

· при проведении измерений в негомогенных и пенящихся средах погрешность измерения может существенно возрасти;

· процедуру калибровки необходимо проводить «на месте».

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 рисунке 21, 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 (рисунок 21, б) их требуется уже по два. В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.

Рисунок 21 – Кондуктометрический уровнемер

Основные достоинства:

· датчики и арматуру можно без труда изготовить из материалов, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам. Воздействие высоких температур (например, при выполнении процедуры «мойки на месте») не оказывает влияния на работу датчика;

· кондуктометрический метод измерения уровня отличается простотой и низкими затратами на его реализацию, является идеальным при регулировании по двум точкам (например, при управлении насосом).

Недостатки:

· этот метод может использоваться для сигнализации уровня только токопроводящих жидкостей и реализуется только в предельных выключателях. Если датчик загрязняется непроводящим ток веществом, например, жиром или маслом, то цепь, по которой течет ток разрывается, и система перестает действовать;

· при измерении уровня продуктов, которые могут оседать на поверхности датчика, образуя, таким образом, пленку, необходимо пользоваться модификацией уровнемера с низким сопротивлением;

· модифицированный уровнемер может «отличить» продукт от пленки продукта образовавшейся на датчике;

· обычно уровнемер используется в качестве сигнализаторов уровня пенящихся продуктов (молока, пива, карбонизированных напитков) и, чаще всего в тех случаях, когда датчики монтируются на боковых стенках резервуаров.