Тема 1.5 Измерение уровня
1 Классификация средств измерения уровня
2 Поплавковые уровнемеры
3 Буйковые уровнемеры
4 Гидростатические уровнемеры
5 Электрические уровнемеры
6 Ультразвуковые уровнемеры
7 Волноводные уровнемеры
8 Вибрационные уровнемеры
9 Радарные уровнемеры
10 Методы измерения уровня твердых и сыпучих материалов
Классификация средств измерения уровня
Уровень жидкости или сыпучего материала – высота границы раздела жидкости или сыпучего материала и газа относительно условного (нулевого) отсчёта. Устройства, которые служат для измерения уровня жидкостей или твёрдых сыпучих материалов или положения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей в различных резервуарах, ёмкостях, бункерах и т.д., носят название уровнемеров; измеряют уровень в единицах длины.
Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно поддержание уровня связано с уровнями безопасной работы оборудования. Уровнемеры могут использоваться либо для контроля отклонения уровня от номинального, и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества жидкости (в сочетании с известными размерами емкости), и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательных стекол). При необходимости дистанционного измерения уровня используются более сложные уровнемеры: гидростатические (дифманометрические и барботажные), буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические. Некоторые разновидности этих уровнемеров рассматриваются ниже.
Простейшими измерителями уровня жидкости являются указательные стёкла (рис.1). Принцип действия основан на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединено с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разряжением). Наблюдая за положением уровня в стеклянной трубке можно судить об изменении уровня в сосуде. Для аппаратов при атмосферном или избыточном давлении до 10 кгс/см3 и при невысоких температурах (до 50оС) применяют устройство со стеклянной, прозрачной трубкой закреплённой в арматуре с отключающими вентилями. При давлении от 10 до 25 кгс/см2 применяют специальную арматуру. Указательные стёкла могут иметь длину не более 500мм.
Рисунок 1 - Установка визуальных уровнемеров:
а – для сосудов с избыточным давлением или разряжением,
б – для открытых сосудов
Поплавковые уровнемеры
Чувствительным элементом является поплавок, плавающий на поверхности жидкости (рис. 2). Поплавок перемещается вверх или вниз в зависимости от повышения или понижения уровня. Перемещение поплавка передаётся на показывающее устройство или преобразователь для преобразования перемещения в выходной сигнал.
Достоинства: простота при изготовлении монтаже и эксплуатации.
Недостатки: трудность отсчёта в начале шкалы у высокого резервуара, погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос.
Рисунок 2 - Поплавковый уровнемер
1 –шкала, 2 –груз, 3 –гибкий трос, 4 –верхний уровень, 5 –поплавок, 6 –нижний уровень.
Буйковые уровнемеры
В основе работы буйковых уровнемеров (рис.3) лежит физическое явление, поясняемое законом Архимеда. Закон Архимеда гласит, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила F, направленная вверх и пропорциональная весу вытесненной им жидкости.
Буек называют тонущим поплавком.
Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала, плотность которого больше плотности жидкости.
Часто буек выполняется в виде трубы из нержавеющей стали длиной Нб, запаянной с обеих сторон, к одному из концов которой приварен крючок.
Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. Длина буйка Нб подбирается близкой к значению, максимального измеряемого уровня в аппарате.
.
Рисунок 3 – Измерительная схема буйкового уровнемера:
1 – буек; 2 – штанга; 3 – рычаг; 4 – противовес; 5 – преобразователь;
6 – уплотнительная мембрана
Уровнемер работает следующим образом: когда уровень жидкости в аппарате равен или меньше начального h0, измерительная штанга 2, на которую подвешен буек 1, находится в равновесии, так как момент M1, создаваемый весом буйка G1, уравновешивается моментом М2, создаваемым противовесом 4.
Величина h0 называется зоной нечувствительности уровнемера
Когда уровень жидкости становится больше h0 (например, h), часть буйка (h-h0) погружается в жидкость, при этом вес буйка уменьшается на величину F = ρgS(h –h0), следовательно, уменьшается и момент М1, создаваемый буйком на штанге 2. Так как М2 становится больше М1, штанга поворачивается вокруг точки «0» по часовой стрелке на небольшой угол и перемещает рычаг 3 преобразователя 5.
Преобразователь (электрический или пневматический) формирует выходной сигнал, который является выходным сигналом уровнемера.
Движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной нулю.
Герметизация технологического аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной мембраной 6.
При необходимости буек может быть установлен в выносной камере, располагаемой вне технологического аппарата.
Диапазон измерений буйковыми уровнемерами от 0,025 до 16 метров.
Значение верхнего предела измерений приборов должно выбираться из ряда: 250; 400; 600; 1000; 1600; 2500; 4000; 6000; 8000; 10000 мм.
Гидростатические уровнемеры
Принцип действия основан на измерении давления столба жидкости в контролируемом объекте. При достаточно больших значениях уровня и в отсутствие избыточного давления над жидкостью в качестве уровнемера можно применять трубчато-пружинный манометр, установленный на отметке нулевого уровня (рис. 4).
Зная плотность жидкости можно определить уровень по показаниям манометра: H = P/gρ, где Р – давление столба жидкости, ρ –плотность жидкости, g –ускорение свободного падения. Этот метод применяется только для резервуаров, работающих под атмосферным давлением.
Рисунок 4 – Измерение уровня с помощью манометра
Для измерения уровня различных жидкостей в открытых и закрытых резервуарах используются гидростатические уровнемеры с дифференциальными манометрами. Им измеряют уровень в аппарате относительно постоянного уровня, создаваемого при помощи уравнительного сосуда. Если аппарат работает при атмосферном давлении, то сосуд устанавливается на отметке нулевого уровня (рис. 5) и подключается к «минусу» дифманометра. Давление, созданное столбом жидкости в сосуде, уравновешивает такое же начальное давление в «плюсовой» трубке. Обусловленное расстоянием по высоте между аппаратом и прибором. Перепад давления, измеряемый дифманометром, зависит только от уровня Н в аппарате.
Рисунок 5 – Гидростатический (дифманометрический) уровнемер
1 - контролируемый резервуар; 2 – уравнительный сосуд; 3 – дифманометр
При применении гидростатических уровнемеров с дифференциальными манометрами обязательно устанавливается уравнительный сосуд 2, наполненный до строго определённого уровня той же жидкостью, что и в контролируемом резервуаре 1.
Уравнительный сосуд предназначен для обеспечения постоянного давления в одном из колен дифманометра 3, за счёт столба жидкости Но постоянной высоты. Высота столба жидкости Н создаёт давление во втором колене дифманометра, и оно зависит от уровня жидкости в контролируемом резервуаре.
Таким образом дифманометр замеряет перепад давления Но –Н пропорциональный уровню в объекте. Сигнал от дифманометра передаётся на вторичный прибор, шкала которого градуирована в единицах уровня.