Измерения и контроль уровня

В настоящее время существует обширный ряд технических средств, приборов решающих задачу измерения и контроля уровня в промышленном производстве. Приборы для измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. Наиболее распространенные методы измерения уровня, позволяющие преобразовывать значение уровня в электрические величины и производить автоматизацию производственных процессов это контактные и бесконтактные методы.

Контактные методы: Поплавковый - При поплавковом методе индикатором уровня служит поплавок. Для передачи информации от чувствительного элемента используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Магнит может влечь за собой ползунок реостата. Изменение сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, что дает помимо визуального контроля возможность дистанционной передачи показаний и включения в систему автоматизации. Ряд поплавковых уровнемеров используют магнитострикционный эффект. При этом направляющий поплавок стержень содержит волновод, заключенный в катушку, по которой подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации, распространяющиеся по волноводу и принимаемые пьезоэлементом вверху стержня. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы. Герконовые уровнемеры содержат в теле направляющего стержня цепочку герконов, замыкаемых движущимся магнитом. Дискретность измерения уровня таких приборов – около 5 мм. Ограничения: среда не должна налипать и образовывать отложения на ЧЭ.

Емкостной метод – более простой и дешевый. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5%, имеет те же ограничения, что и поплавковый. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред (размер гранул – до 5 мм.). Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является – однородность среды, среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения ЧЭ. ЧЭ емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае проводящей жидкости ЧЭ покрывается изолятором, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости ЧЭ, преобразуемой в выходной электрический сигнал.

Гидростатический метод измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического давления на дно резервуара (P) зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором (h) и от плотности жидкости (ρ): P=ρgh, соответственно h=P/ρg, где g=9,81 м/c²(это справедливо только для неподвижных жидкостей). Пьезорезистивный тензодатчик связан с измеряемой жидкостью через изолирующую мембрану из нержавеющей стали и вещество, усредняющее давление. Выходной сигнал тензодатчика преобразуется формирователем в сигнал, соответствующий уровню жидкости. Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Основные достоинства гидростатического метода:

· точность;

· применим для загрязнённых жидкостей;

· реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;

· соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом обслуживании.

Недостатки:

· движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Бернулли);

· атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

· изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

Буйковый метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек. На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая сопло. Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м. обеспечивая точность 0,25..1,5%. Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Бесконтактные метод: Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала, используют принцип эхолота и подразделяются на две основные группы: ультразвуковые (УЗК) и методы направленного электромагнитного излучения. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом.

Зондирование ультразвуком: Ультразвуковые датчики уровня. В простейшем и наиболее распространённом случае, когда УЗК датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды (в общем случае необходимо вносить поправку, учитывающую разность между реальной высотой установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно. Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный УЗК методом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения. Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от процентного содержания CO₂ и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2%.

Основные достоинства УЗК метода:

· бесконтактный;

· применим для загрязнённых жидкостей;

· реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;

· независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

· большое расхождение конуса излучения;

· отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут вызвать ошибки измерения;

· применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

· на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

Зондирование электромагнитным излучением: Повторяющиеся импульсы наносекундного диапазона длительностей излучаются с интервалом 1мкс. Принцип измерения напоминает ультразвуковой метод определения уровня. Только в системе с направленным электромагнитным излучением импульсы распространяются не равномерно в пределах границ диаграммы направленности, а локализованы вдоль стержня или троса датчика, играющего роль волновода. Данный метод базируется на новейших технологиях и дополняет собой список бесконтактных методов измерения. Благодаря низкому энергопотреблению, достаточно двухпроводной системы подключения микроволнового датчика с питанием через информационный канал.

Основные достоинства метода направленного электромагнитного излучения:

· управление микроволновыми датчиками посредством меню и их калибровка на этапе изготовления обеспечивают простой ввод в эксплуатацию;

· надёжное измерение порошкообразных материалов даже в процессе наполнения ёмкости;

· измерение уровня жидкостей при образовании пены в условиях повышения давления;

· надёжное и точное измерение в обводных и расширительных трубах;

· возможность эффективного устранения помех отражения от арматуры (балок, укосин и др.) и структурных элементов стенок (например гофрированных листов), резервуаров или узких силосных бункеров;

· независимость метода от вида материала (жидкий/сыпучий), плотности, значения диэлектрической постоянной, химической агрессивности среды, проводимости, изменения свойств материала, вызванных процессом комкования;

· абсолютная независимость метода от влияний таких факторов технологического процесса, как давление, температура, наличие подвижных поверхностей, пена/туман/пыль.

Недостатки:

· клейкие вещества могут вызвать отказы;

· диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6.

Дата добавления: 2014-12-23