Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерять уровень в отсутствии контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. Ультразвуковые уровнемеры основаны на принципе отражения звуковых волн от границы раздела жидкость – газ (воздух). На рис. 7 показана блок – схема ультразвукового уровнемера. Прибор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора (автоматического потенциометра).
Рисунок 7 - Блок – схема ультразвукового уровнемера:
1 и 2 –генераторы, 3 –пьезоэлектрический излучатель, 4 –усилитель,
5 –измеритель времени, 6 –вторичный прибор
Электронный блок состоит из генератора 1, задающего частоту повторения импульсов, генератора импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приёмного усилителя 4 и измерителя времени 5. генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Частота импульсов 300 Гц. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой пьезоэлектрическим излучателем, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раздела жидкость – воздух, возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель, и преобразуется в электрический. Оба импульса, посланный и отражённый, разделённые во времени поступают на усилитель.
Уровень жидкости в резервуаре определяется по времени запаздывания отражённого сигнала относительно посланного. Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания отражённого сигнала (уровню), получаемое в измерителе времени, подаётся на вторичный прибор.
Волноводные уровнемеры
Волноводные уровнемеры построены на основе волноводной технологии и обеспечивают непрерывное надежное измерение уровня жидкостей и взвесей в сложных условиях эксплуатации. Принцип действия волноводного уровнемера основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (рис.8)
Рисунок 8 – Волноводный уровнемер. Принцип действия
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 момента 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 диэлектической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала.
Поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуарах, а также для резервуаров с узкими горловинами. В случае необходимости съемная головка датчика позволяет заменить модуль электроники, не нарушая герметичности резервуара, что может быть важным при измерении уровня сжиженных газов и аммиака.
Главные достоинства волноводных уровнемеров:
- точность измерений не зависит от диэлектрической проницаемости, плотности, температуры, давления и рН;
- различные типы зондов позволяют применять уровнемеры в резервуарах разной геометрии и с внутренними конструкциями;
- подходят для измерений уровня сыпучих материалов (гранулы, порошки);
- простота установки;
- возможность одновременного измерения уровня внешней поверхности и поверхности раздела двух жидкостей;
- возможность измерений в высокотемпературных процессах, процессах с высоким давлением и высоко агрессивных сред;
- надежность измерений в условиях высокой турбулентности или вибраций, запыленности и парообразования.
Вибрационные уровнемеры
Вибрационные уровнемеры в основном используются для сигнализации предельных значений уровня в определенных точках. Сигнализаторы разработаны с использованием принципа камертона. Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создает колебания чувствительной вибрационной вилки с частой примерно 1300 Гц. Изменения этой частоты отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость (состояние «мокрый контакт») частота колебаний вилки уменьшается, что приводит к переключению контактов сигнализатора. Аналогично при снижении уровня жидкости вилка переходит в состояние «сухой контакт», при этом частота колебаний вилки увеличивается, что приводит к обратному переключению контактов. Вибрация вилки способствует ее самоочищению.
Конструкция вибрационного сигнализатора показана на рисунке 9.
Рисунок 9 – Конструкция вибрационного сигнализатора уровня
1 – вибрационная вилка; 2 -резьбовое соединение; 3 – кабельный разъем; 4 – корпус
Достоинства вибрационных уровнемеров:
- на работу сигнализаторов практически не влияют турбулентность процесса, пузырьки, пена, вибрация, содержание твердых веществ, свойства жидкости и ее состав;
- уровнемеры просты в установке и практически не требуют обслуживания;
- отсутствует необходимость калибровки приборов;
- для применений в процессах с турбулентными и брызгающими средами возможна регулируемая задержка пеерключения контактов приборов.
Радарные уровнемеры
В основу работы радарных уровнемеров положен принцип бесконтактного радиолокационного измерения расстояния до уровня раздела сред: воздушная среда-контролируемый продукт, в процессе работы датчик контактирует с парогазовой составляющей внутреннего объема резервуара, а не с продуктом. Принцип измерения (рис.10) основан на методе линейного частотно-модулированного непрерывного излучения.
Рисунок 10 – Принцип действия (а) и конструкция (б) радарного уровнемера:
1 – антенна; 2 – модуль датчика
Излученная антенной 1 радиоволна отражается от поверхности продукта и через определенное время, зависящее от скорости распространения и расстояния до поверхности продукта, вновь попадает в антенну. В электронном модуле 2 датчика происходит преобразование излученного и принятого сигнала.
В результате на выходе образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала. По разности частот определяется расстояние до продукта, а затем вычисляется уровень наполнения резервуара.
Используемая технология позволяет обеспечить высокоэффективное подавление паразитных отражений, а также помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта и загрязнениями антенны датчика уровня. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень продукта в резервуаре.