6. Измерение уровня материала в емкостях

Уровень различных жидких и сыпучих материалов измеряется на различных этапах металлургического передела. Измерение уровня производится в закрытых емкостях, бункерах, ковшах. Особенности измеряемой среды и вида емкости обусловили большое разнообразие методов и средств измерения уровня.

6.1. Измерение уровня жидкости

Уровень жидкости контролировать проще благодаря плоской поверхности жидкости. Поэтому индикатор может быть расположен в любой точке сечения емкости. Все уровнемеры можно разделить на два крупных класса: позиционного и следящего типов. Позиционные уровнемеры устанавливаются стационарно и являются приборами релейного типа со скачкообразным изменением выходного сигнала при переходе фиксированных значений уровня.

Уровнемеры следящего типа непрерывно следят за изменением уровня и указывают кинетику движения среды.

Для изменения уровня применяют датчики следующих типов: поплавковые (буйковые), манометрические, емкостные, акустические и радиоизотопные.

Для измерения уровня жидкости в резервуаре, находящейся под атмосферным давлением, применяют поплавковые уровнемеры. На поверхности жидкости плавает поплавок, связанный тягой с уравновешивающим грузом. По положению груза относительно шкалы судят об уровне жидкости.

Для измерения уровня жидкости в сосудах с высоким давлением применяется тонущий поплавок-буек, частично погруженный в жидкость. При изменении уровня жидкости изменяется степень погружения буйка. Положение буйка через систему тяг передается указателю. На рис. 6.1 показаны схемы поплавкового и буйкового уровнемеров.

Поплавковые уровнемеры типа УДУ-5 могут контролировать диапазон уровней жидкости от 0 до 12 м с погрешностью местного отсчета 3 мм и погрешностью дистанционной передачи с потенциометрической приставкой 15 мм.

Буйковый датчик-реле уровня ДУЖЭ (ДУЖП) с электрическим (пневматическим) выходным сигналом может работать при давлениях до 16 МПа и плотности жидкости от 600 до 1500 кг/м³. Настраиваемый дифференциал срабатывания составляет от 0,1 до 3,0 м.

а б

а – поплавковый

б - буйковый

Рисунок 6.1 Механические уровнемеры

Пьезометрический уровнемер основан на измерении высоты столба жидкости по создаваемому им давлению. Уровень жидкости определяют при помощи дифференциального манометра или продувкой воздуха через погруженную трубку. Давление воздуха, прокачиваемого по трубке будет равно гидростатическому давлению столба жидкости

р = Нq,

где Н - высота столба жидкости над нижним обрезом трубки;

 - плотность жидкости;

q - ускорение свободного падения.

Емкостные уровнемеры применяют для измерения уровня жидкости с меняющейся плотностью. При изменении уровня жидкости меняется электрическая емкость системы двух электродов или системы электрод-корпус сосуда. Для цилиндрического коаксиального датчика по рис. 6.2 зависимость имеет следующий вид:

,

где - полная длина датчика;

- длина погруженной в жидкость части;

 - диэлектрическая проницаемость жидкости;

₀ - диэлектрическая проницаемость воздуха;

R₁ - радиус внешнего электрода;

R₂ - радиус центрального электрода.

Рисунок 6.2 Емкостной уровнемер

Емкостные уровнемеры не содержат подвижных частей и надежны в эксплуатации, но их показания зависят от стабильности химического состава жидкости и наличия примесей, особенно воды. Измерение электрической емкости датчика производится мостом переменного тока повышенной частоты (порядка 100 кГц). Сигнал разбаланса моста усиливается и измеряется вторичным прибором.

Емкостные уровнемеры типа ДУЕ-2 выпускаются на предел измерения до 10 м с погрешностью 2,5%, уровнемеры типа ЭИУ-2 на предел до 2,5 м.

Емкостные уровнемеры типа РУС могут контролировать уровни жидкостей в зависимости от модификации (0-0,4) м до (0-20) м с точностью 1%.

Кондуктометрический уровнемер наряду с емкостным относится к группе электрических уровнемеров. Принцип его работы основан на измерении электрического сопротивления электропроводящей жидкости относительно электрода, погруженного в жидкость. Применяется относительно редко из-за наличия большого числа мешающих факторов, влияющих на результат измерения.

Для бесконтактного измерения уровня как жидких, так и сыпучих материалов используется метод акустической эхолокации. Структурная схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 6.3.

Над контролируемой поверхностью устанавливается акустический преобразователь 1. Генератор электрических импульсов ультразвуковой частоты 2 через усилитель 3 напитывает преобразователь, который формирует направленный акустический сигнал в сторону контролируемой поверхности. Отраженный от поверхности контролируемой среды акустический сигнал возвращается на этот же преобразователь 1 с некоторым запаздыванием, величина которого пропорциональна расстоянию до отражающей поверхности:

где Н – расстояние до отражаемой поверхности;

а – скорость распространения ультразвука в газовой среде.

Рисунок 6.3 Схема акустического уровнемера

Отраженный сигнал поле усиления и формирования в элементе 4 поступает на схему измерения величины запаздывания 5. Выходной элемент 6 осуществляет преобразование сигнала запаздывания в пропорциональное ему значение тока или напряжения. В схеме уровнемера обычно требуется предусматривать температурную компенсацию для учета изменения скорости распространения звука от температуры среды. Кроме того, акустические уровнемеры должны отстраиваться от помеховых акустических сигналов, возникающих при отражении звука от посторонних предметов. Акустические помехи характерны более всего для сыпучих крупнозернистых или кусковатых материалов.

Акустические уровнемеры типа ЭХО-2 могут работать на различных средах и контролировать уровень от 1 до 30 м с точностью 2,5%.

Для контроля уровня жидкости сред в принципе возможно излучение акустического импульса со дна емкости вверх с отражением его от границы жидкость-атмосфера.

В тех случаях, когда невозможно обеспечить доступ в емкость из-за высокого давления, высокой температуры или агрессивности среды применяют радиоактивные уровнемеры, основанные на просвечивании емкости с материалом потоком -лучей. С одной стороны емкости устанавливается источник излучения, содержащий изотопы цезия или кобальта, а с противоположной – детектор излучения. Степень поглощения излучения зависит от наличия сырьевых материалов на уровне просвечивания. Радиоактивные уровнемеры обычно используются для одно или двухуровневого дискретного контроля. Приборы обладают высокой надежностью и точностью (10 мм). Применение таких уровнемеров требует строгого соблюдения правил их эксплуатации в связи с вредным биологическим действием излучения.