1.2 Средства измерения уровня

Уровнем – называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом.

Средством измерения уровня называют уровнемерами. Уровень измеряют в единицах длины. Путем измерения уровня получают информацию о массе жидкости в резервуарах.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений уровня рабочей среды – сигнализаторы уровня.

Классификация уровнемеров:

1. Визуальные средства измерения уровня;

2. Поплавковые средства измерений уровня;

3. Байковые средства измерения уровня;

4. Гидростатические средства измерений уровня;

5. Электрические средства измерений уровня;

6. Акустические средства измерений уровня.

По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов.

Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5 – 20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона (пределы измерений (0 ÷ ± 100) мм или (0 ÷ ± 450) мм) обычно используются в системах автоматического регулирования.

1.2.1 Визуальные средства измерений уровня

К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные ли­нейки, рейки, рейки рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла.

В производственной практике широкое применение получили уровнемерные стекла. Измерение уровня с помощью уровнемерных установки указательных стекол на стекол рисунок 1.17(а) основано на законе сообщающихся сосудов законе сообщающихся сосудов.

Рисунок 1.17 - Схема установки указательных стекол на технологических аппаратах

Указательное стекло 1 с помощью арматуры соединяют с нижней и верхней частями емкости. Наблюдая за положением мениска жид­кости в трубке 1, судят о положении уровня жидкости в емкости.

Для исключения дополнительной погрешности, обусловленной различием температуры жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением осуществляют промывку уровнемерных стекол. Для этого предусмот­рен вентиль 2. Армату­ра уровнемерных стекол оснащается предо­хранительными клапа­нами, обеспечивающи­ми автоматическое перекрывание каналов, связывающих указательное стекло с технологическим аппаратом при случайной поломке стекла. Из-за низкой механической прочности уровнемерные стек­ла обычно выполняют длиной не более 0,5 м. Поэтому для измерения уровня в резервуа­рах рисунок 1.17(б) устанавливается несколько уровнемерных стекол с тем расчетом, чтобы они перекрывали друг друга. Абсолютная погрешность измерения уровня уровнемерными стеклами плюс минус (1—2) мм. При измерении возможны дополнительные погрешности, связанные с влиянием температуры окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются до давлений 2,94 МПа и до температуры 300°С.

1.2.2 Поплавковые средства измерений уровня

Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплав­ковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона рисунок 1.18 обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80 - 100 мм, выполненный из нержавеющей стали.

Рисунок 1.18 - Схемы поплавковых уровнемеров

Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицирован­ный электрический или пневматический сигналы

Уровнемеры уз­кого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые рисунок 1.18(а) и камерные рисунок 1.18(б), отличающиеся способом их установки на технологических аппаратах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров 10 ÷ 0 ÷ 10 мм, максимальный 200 ÷ 0 ÷ 200 мм. Класс точности 1,5.

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона рисунок 1.18(в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают та­кие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок—противовес» описывается уравнением

,

где G_{r ,} Gп – силы тяжести противовеса и поплавка;

S – площадь поплавка;

h₁ – глубина погружения поплавка;

ρ_ж – плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения по­плавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство нарушается, и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет рав­ной h₁. При понижении уровня действующая на поплавок выталки­вающая сила уменьшается, и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h₁. Для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуа­ре применяют сельсинные системы передачи. Обычно ось сельсина датчика кинематически связана с барабаном, вращение которого осуществляется в процессе перемещения троса, а ось сельсина - при­емника со счетным механизмом. Уровнемер рисунок 1.18(г) представляет собой поплавок 1, подвешенный на пер­форированной стальной (мерной) ленте 2. Для исключения гори­зонтальных перемещений поплавка предусмотрены направляющие струны 3. Отличительной особенностью уровнемера этого типа яв­ляется то, что в нем осуществляется натяжение мерной ленты пру­жинным двигателем. Двигатель состоит из барабанов 5 и 6. Когда поплавок находится в крайнем верхнем положении, мерная лента 2 сматывается на барабан - накопитель 4. При понижении уровня жидкости сила тяжести поплавка преодолевает силы трения в под­вижной системе и усилие, создаваемое пружинным двигателем. В результате поплавок перемещается вниз. Перемещение поплавка вниз сопровождается вращением барабана - накопителя 4 и сматыванием ленты 6 пружинного двигателя с барабана 5 на барабан 7. При перемещении поплавка вверх натяжение мерной ленты уменьшается, и лента пружинного двигателя перематывается на барабан - накопитель 4. В процессе перемещения мерная лента вступает в за­цепление со штырями мерного шкива 9, на оси которого укреплен счетный механизм 8, представляющий собой десятичный счетчик с наименьшей ценой деления 1 мм. Для передачи информации на расстояние к валу отсчетного устройства может быть подключен преобразователь угла поворота в электрический или пневматиче­ский унифицированные сигналы.

Для примера, рассмотрим уровнемер поплавковый многофункциональный УПМ-2 предназ­начен для измерения уровня воды и положения затвора в откры­тых водоемах, водовыпусках, водохранилищах. Допус­кается использование уровнемера в качестве перепадомера, ра­ботающего в режиме индикатора. Уровнемер имеет устройство местного отсчета, сигнализацию аварийного значения уровня и выход на телеметрическую систему контроля в виде частотного сигнала, а также на приборы, работающие от стандартных вход­ных сигналов постоянного тока и напряжения, пропорциональных измеряемому уровню.

Принцип работы поплавкового уровнемера основан на способе прямого слежения за уровнем системы поплавок — проти­вовес.

Уровнемер поставляется 44 модификаций для обеспечения из­мерения различных диапазонов уровней и выполнения функций датчиков положения затвора и перепадомера (в конструкции дат­чика положения затвора отсутствует поплавок). Перепадомер снаб­жен двумя поплавками и двумя противовесами. Многофункцио­нальность уровнемера обеспечивается за счет комплекта монтаж­ных частей.

Диапазон измерения уровня воды или положения затвора: 0—1; О—1,6; 0—2,5; 0—4; 0—6 м; индикации перепада уровней воды: 0—0,4; 0—0,6 м. Пределы допустимой основной погрешности плюс минус 1 процент. Предельные значения выходных сигналов: частотного — 1—2; 2—4 кГц; токового — 0—5; 0—20; 4—20 мА; напряжения — 0—1; 0—10 В. Питание прибора постоянным током напряжением 24 В; по­требляемая мощность 0,2 Вт.

Уровнемер предназначен для работы при температуре окру­жающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 95 процентов. Температура воды от 5 до 25 °С.

Габаритные размеры уровнемера 285x266x197 мм, диаметр поплавка 250 мм. При использовании прибора в качестве инди­катора перепада уровня — 775x325x197 мм; два поплавка диа­метром 260 мм.