Весовые (массовые) уровнемеры
Простейшими из них по принципу работы являются весовые (массовые), основанные на взвешивании бункера вместе с имеющимся в нем материалом. В качестве преобразователя в этих уровнемерах может быть использована гидравлическая мессдоза, которая является опорой одной из лап бункера. Мессдоза представляет собой стальной корпус, герметично закрытый мембраной с закрепленным на ней поршнем, на который опирается лапа бункера. Внутренняя полость корпуса (под мембраной) заполнена жидкостью и соединительной линией соединяется с манометром, влияние жидкости в системе мессдоза — манометр равно силе тяжести бункера с материалом, деленной на площадь поршня.
Весовые уровнемеры сыпучего материала применяются в тех случаях, когда подвеска бункера не вызывает конструктивных осложнений и загрузка и выгрузка материала производятся не рывками, а равномерным потоком. В качестве преобразователей в этом случае могут быть, использованы различные весовые устройства. Так, в качестве, преобразователя предельного уровня, если бункер покоится на опорных пружинах, могут быть использованы конечные выключатели. При нагружении бункера происходят сжатие опорных пружин и линейное перемещение бункера по вертикали. Штанга, укрепленная на бункере, взаимодействуя с конечными выключателями, обеспечивает срабатывание при наполнении и опорожнении бункера.
В качестве преобразователей весовых уровнемеров могут использоваться мессдозы. В этом случае измеряется давление, передаваемое на опору бункера. Это давление является функцией наполнения бункера материалом.
Схема установки показана на рис. 11. Комплект прибора состоит из гидравлической мессдозы 1, соединенной трубками с манометром, градуированным в единицах веса или уровня. Мессдоза, являющаяся опорой одной из лап бункера, представляет собой металлический корпус с поршнем, герметизированным гибкой мембраной. Мессдоза, соединительная трубка и пружина манометра заполнены, жидкостью. Давление в системе мессдоза — манометр равно силе тяжести бункера с заполняющим его материалом, деленной на площадь поршня мессдозы.
В манометрах для этого уровнемера положение стрелки на начальной отметке шкалы (нуле) соответствует пустому бункеру. Таким образом, шкала дает только вес материала, заполняющего бункер.
Рисунок 11 – Весовой измеритель уровня с мессдозой
В массовых уровнемерах вместо мессдозы применяться и более совершенные магнитоупругие преобразователи, обеспечивающие высокую точность измерения (их погрешность не более ±5 %). Основным элементом таких преобразователей является металлический чувствительный элемент, магнитная проницаемость которого изменяется при упругой механической деформации. Магнитоупругие преобразователи устанавливаются под опоры бункера и включаются в схему неуравновешенного моста, выходной сигнал которого будет зависеть от степени деформации преобразователя, т. е. от количества материала в бункере.
Радиоизотопные уровнемеры
Радиоизотопные уровнемеры предназначены для непрерывного бесконтактного дистанционного измерения уровней жидкостей и сыпучих тел. Принцип действия этих приборов основан на изменении степени ослабления γ-излучения на границе раздела двух сред, испускаемого радиоактивными изотопами цезием Cs137 или кобальтом Со60 через контролируемую среду. Сигнал от счетчика через измерительные блоки воздействует на исполнительный механизм, который перемещает детектор вверх до положения, соответствующего уровню материала и регистрируемого вторичным прибором. Схема радиоизотопного уровнемера приведена на рис.12.
Рисунок 12 - Радиоизотопный уровнемер:
1 – источник радиационного излучения; 2 – приёмник (детектор) излучения; 3 – кабель-тросы;4 – токосъёмники
Акустические методы
В уровнемерах, называемых акустическими, используется метод локаций уровня сыпучего материала через газовую среду. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня сыпучего материала, распространяется по газовой среде. Это обеспечивает универсальность измерения уровня сыпучего материала. Распространение по газовой среде обеспечивает универсальность по отношению к различным материалам, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежность первичных преобразователей, не контактирующих с сыпучими материалами. По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные. Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры.
Локационные уровнемеры
В локационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела сыпучий материал — газ. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. На рис.13 изображён локационный уровнемер.
Рисунок 13 - Схема локационного уровнемера:
1 – излучатель; 2 – приемник электромагнитной энергии; 3 – схемы измерения интервала времени
Уровнемеры диссипативные (поглощения)
В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои сыпучего материала и газа.
Уровнемеры резонансные
В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем сыпучих материалов, которая зависит от уровня сыпучих материалов.
Оптические методы
Визуальный уровнемер
Визуальный метод основан на визуальном определении уровня сыпучих материалов. При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны сыпучего материала нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.
Уровнемеры преломления (отражения)
Метод преломления (отражения) основан на изменении положения преломлённого (отражённого) луча при изменении уровня сыпучего материала.
Электромагнитные методы
Для электропроводных материалов наиболее простыми являются кондуктометрические уровнемеры
Кондуктометрический уровнемер
Кондуктометрический уровнемер основан на измерении величины активного сопротивления между электродами при изменении уровня сыпучего материала. Сигнализатор может контролировать либо только верхний уровень сыпучего материала в бункере (в этом случае применяется только один электрод), либо верхний и нижний уровни (применяются два электрода). Примером может послужить уровнемер типа ИКС. Принцип действия таких сигнализаторов (рис.14) заключается в замыкании электрической цепи стенка бункера — материал — электрод при касании поверхностью материала электрода. Основные недостатки при эксплуатации: механическое разрушение электродов под действием материала, возможность ложных срабатываний из-за утечек через запыленную среду (обычно во избежание этого на электроды устанавливают охранные кольца).
Рисунок 14 - Схема кондуктометрического уровнемера
Индуктивный уровнемер
Индуктивный метод основан на изменении индуктивности датчика, подключенного к генератору высокой частоты, при его погружении в контролируемую среду.
Емкостной уровнемер
Принцип действия основан на измерении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющийся пропорционально изменению уровня контролируемого материала в резервуаре относительно неподвижного датчика. В таких устройствах емкостный преобразователь, образованный электродом 1 и стенкой бункера 2 (рис.15), совместно с катушкой индуктивности L образуют колебательный контур, резонансная частота которого определяется емкостью преобразователя, т.е. текущим значением уровня.
Рисунок 15 - Схема ёмкостного уровнемера
Радиоволновый уровнемер
Радиоволновый уровнемер основан на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня материала. Работа радиолокационных уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами. В результате взаимодействия отражённого и излучённого сигнала изменяется частота сигнала. Частотный сигнал подаётся на вход вторичного преобразователя, где производится его обработка.
Механические методы
Лотовый (зондовый) метод
Специфическим уровнемером для сыпучих материалов является лотовый (зондовый) (рис.16). Зондовый метод, основанный на поддержании груза на границе раздела двух сред. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (лот) 1, подвешенное на гибком тросе 2. В начале цикла измерений лот зафиксирован в предельном верхнем положении. Цикл измерения уровня начинается с момента растормаживания лота, при этом под действием собственного веса лот начинает опускаться. В этот же момент сигнальным устройством 3, реагирующим на натяжение троса, включается отсчетное устройство 4, регистрирующее смещение лота относительно первоначального предельного положения. В момент касания лотом поверхности, натяжение троса уменьшается, и сигнальное устройство 3 отключает отсчетное устройство, одновременно включая механизм подъема 5 лота, который поднимает лот в исходное положение, после чего цикл измерения повторяется. Показания от счетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед началом следующего цикла измерения показания отсчетного устройства должны быть сброшены.
Рисунок 16 - Схема зондового уровнемера
Метод с гибким щупом
Уровнемеры с гибким щупом основаны на воздействии сыпучего материала на щуп, под воздействием сыпучего материала щуп упруго изгибается, поворачиваясь в месте шарнирного крепления, при этом элемент, находящийся в обойме касается контакта. Момент контакта фиксируется релейной схемой и свидетельствует о нахождении сыпучего материала в месте установки датчика.
Принципиальная схема показана на рис.17. Уровнемер выполнен в виде гнезда 1 с вмонтированным под ним контактным датчиком 2, чувствительным элементом которого является щуп 3. уровнемер крепится к стенке бункера 4 с таким расчетом, чтобы гибкий щуп находился на уровне контролируемого материала. Если щуп не подвергается механическому воздействию сыпучего продукта, контакты, образованные щупом и трубкой, и находящиеся в корпусе датчика, разомкнуты. Под действием давления сыпучего материала щуп изгибается, замыкая контакты, и в цепь управления подается сигнал.
Рисунок 17 - Схема уровнемера с гибким щупом.
Маятниковый метод
Для контроля предельных уровней сыпучих материалов в емкостях находят применение маятниковые уровнемеры. При наличии угла естественного откоса прохождение уровня сыпучего материала приводит к повороту маятника вокруг оси подвески, при этом замыкаются контакты ртутного реле, вмонтированного в маятник.
Для контроля верхнего уровня легкосыпучих материалов рекомендуется применение уровнемера маятникового типа, выполненное в виде конусообразного, снабженного ребрами корпуса. В точку контроля уровня корпус подвешивается с помощью гибкого кабеля, соединяющего со схемой управления находящийся внутри него ртутный контакт (рис. 18), обеспечивающий коммутацию нагрузки в цепях переменного тока напряжением до 127 В при токе 1А. А в цепях с напряжением 220 В — до 0,2 А. При отключении продуктом корпуса замыкается ртутный контакт, выдавая сигнал в цепь контроля.
Рисунок 18 - Схема маятникового реле
Метод с вращающимся телом
Принцип действия следующий. Когда уровень контролируемого материала ниже тормозной крыльчатки, вал двигателя и, следовательно, вращающийся вал (крыльчатка) непрерывно вращаются, при достижении сыпучего материала крыльчатка останавливается. По замыканию или размыканию сигнальной цепи узнаем уровень сыпучих материалов.
Метод колеблющегося тела
Основан на изменении параметров электрической цепи, по которым регистрируется достижение уровнем сыпучего материала места установки датчика.
Контрольные вопросы
1 Дать определение уровню. Как называются приборы для измерения уровня? В каких единицах измеряется уровень?
2 На чем основан принцип действия визуальных уровнемеров?
3 В чем заключается принцип действия поплавковых и буйковых уровнемеров?
4 На основе какой зависимости определяется уровень с помощью гидростатических уровнемеров?
5 В чем заключается принцип действия емкостных уровнемеров?
6 В чем заключается принцип действия ультразвуковых уровнемеров?
7 Какие уровнемеры позволяют измерять уровень в отсутствии контакта с измеряемой средой?
8 Какие виды уровнемеров наиболее подходят для измерения уровня в малых и узких резервуарах, а также в резервуарах с узкими горловинами?
9 Какие виды уровнемеров предусматривают возможность одновременного измерения уровня внешней поверхности и поверхности раздела двух жидкостей?
10 Какие виды уровнемеров в основном используются для сигнализации предельных значений уровня в определенных точках?
11 Привести классификация методов измерения уровня твердых и сыпучих тел
12 Какие уровнемеры сыпучих материалов основаны на методе различия плотностей? Пояснить их принцип действия.
13 Какие уровнемеры сыпучих материалов основаны на акустическом методе? Пояснить их принцип действия.
14 Какие уровнемеры сыпучих материалов основаны на оптическом методе? Пояснить их принцип действия.
15 В основе каких уровнемеров сыпучих материалов лежат электромагнитные методы? Пояснить их принцип действия.
16 Какие уровнемеры сыпучих материалов основаны на механическом методе? Пояснить их принцип действия.