6.3. Электрические уровнемеры

В ЦБП наибольшее распространение нашли емкостные и ра­диоизотопные измерители уровня, в первую очередь для сигна­лизации и измерения уровня в закрытых труднодоступных емкостях.

Емкостные уровнемеры являются перспективными для измерения уровней как в проводящих, так и в непроводящих однородных жидкостях.

Работа емкостных уровнемеров основана на различии ди­электрической проницаемости б водных растворов солей, кислот и щелочей от диэлектрической проницаемости воздуха и водя­ных паров.

Основными узлами емкостного уровнемера являются: емкост­ный датчик, состоящий из первичного измерительного преоб­разователя уровня в изменение электрической емкости, кон­структивно оформленного в отдельный блок; вторичного преоб­разователя — измерительной цепи, преобразующей изменение емкости в электрический (или пневматический) сигнал, и изме­рительного прибора.

Схемы простейших преобразователей приведены на рис. 6-4, а и б.

Для непроводящей среды используют, как правило, один электрод. Вторым электродом служит корпус сосуда, соединен-

Сд

а

Рис. 6-4

ный с землей. Естественно, что электрод-стержень должен быть надежно изолирован от корпуса. Для рассматриваемого преоб­разователя и приведенных на рис. 6-4, а обозначений полная проводимость датчика равна

R R

где R = ^{2 3} ; ш = 2л/—частота переменного тока.

°2 + °3

Так как для проводящей жидкости Р₃=оо и /?₂ = °°> то

lg

Сд = С₁+С, + С, = С₁ + 0,24 bSkllu ₊о,24-^ , (6-4)

D . D

где D — внутренний диаметр емкости; d — диаметр электрода.

Для проводящих сред и в соответствии с обозначениями, принятыми на рис. 6-4, б емкость между электродом, покрытым

187

слоем изоляционного материала, и вторым электродом (жид­кость и стенки сосуда) составляет

С 2, + с₃ С₄ -j- с₆

так как Ps~0.

Преимуществом емкостных уровнемеров являются отсутствие в датчике движущихся частей, долговечность и надежность чув­ствительных элементов, которые могут быть выполнены из мате­риалов, не подвергающихся коррозии. Емкостные уровнемеры позволяют измерять уровень в сосудах под давлением, в ва­кууме, при высоких и низких температурах в широком диапа­зоне изменения уровня.

При измерении уровня емкостными уровнемерами на значе­ние емкости влияют изменения диэлектрических постоянных воз­духа (или газа) е_в и жидкости е_ж, которые зависят как от тем­пературы, так и от состава вещества. На точность измерений влияют также отложения веществ на поверхности электродов датчика. Поэтому при выборе материала для электродов следует знать, смачивается ли этот материал измеряемой жидкостью. На емкость преобразователя не должны влиять также колеба­ния напряжения электрической сети, питающей измерительную цепь. Это достигается применением мостовых измерительных цепей.

Уровнемеры, выпускаемые промышленностью, отличаются конструкцией преобразователей и измерительными цепями, пред­назначенными для преобразования емкости в выходной сигнал.

Рассмотрим принципиальную схему емкостного индикатора уровня ЭИУ-1, предназначенного для непрерывного дистанцион­ного измерения и сигнализации уровня жидких и сыпучих сред (рис. 6-5).

Датчик уровня, представляющий собой стержневой, пластин­чатый, тросовый или кабельный электрод, установленный в ре­зервуаре, соединяется с электронным блоком коаксиальным ка­белем. В электронном блоке переменная емкость датчика преоб­разуется в сигнал постоянного тока, поступающий на указатель уровня. В качестве дистанционного указателя уровня исполь­зуются щитовые милливольтметры и автоматические потенцио­метры, шкалы которых проградуированы в единицах уровня.

Электрическая схема прибора состоит из генератора высокой частоты Г, моста переменного тока М, диодного выпрямителя В, выходного измерительного прибора (указателя) ИП и вторич­ного измерительного прибора ВИП.

Генератор высокой частоты собран на одной электронной лампе. С контуром генератора индуктивно, через Ы и L4, свя­зан мост переменного тока, состоящий из индуктивностей L2 и LS, переменного конденсатора с емкостью С1 и емкостного дат­чика С_д. В начальный момент, когда уровень измеряемой среды находится на нижнем пределе (установка нуля), мост регули­руется с помощью конденсатора С1. При изменении уровня кон­тролируемой среды изменяется емкость датчика С_д, вследствие чего нарушается равновесие моста. Высокочастотное напряже­ние разбаланса, снимаемое с диагонали моста через R1, выпрям­ляется диодами и емкостью С2 и подается на указатели уровня ИП (контрольный в электронном блоке) и дистанционный ВИП, подключаемый через резистор $3=100 Ом. Чувствительность регулируется резистором с переменным сопротивлением R2.

Рис. 6-5

Приборы типа ЭИУ, схема которых рассмотрена, имеют мак­симальные пределы измерения уровня от 1 до 20 м для жидких и сыпучих сред; наибольшее расстояние от электронного блока до дистанционного указателя уровня — 100 м; предельно допу­скаемое давление в резервуаре до 3 МПа. Основная погреш­ность у =±2,5%, а температурная погрешность составляет 1% на 10° С.

Некоторые эксплуатационные качества указанного прибора в первую очередь связаны с несовершенством прямых методов измерения, которые дают погрешность из-за изменения: напря­жения питания; характеристик всех элементов схемы; темпера­туры окружающего воздуха; параметров измеряемой среды.

Существенным недостатком является нелинейная зависимость выходного сигнала от измеряемого параметра. Опыт эксплуата­ции указанных приборов показал, что при измерении уровня

проводящих сред покрытие электродов было не всегда на­дежным.

Радиоизотопные бесконтактного контроля

Для повышения чувствительности и точности в емкостных уровнемерах используют мостовые измерительные цепи с диффе­ренциальными емкостными преобразователями, включаемые встречно в этих цепях. К мостовым измерительным цепям предъявляют требования: увеличения сопротивления в выходной диагонали моста; экранирования всех подводящих проводов во избежание наводок; исключения емкостных элементов, шун­тирующих рабочие и компенсационные емкостные преобразо­ватели.

уровнемеры предназначены для уровня в закрытых сосудах, когда из-за особых условий ведения тех­нологического процесса (высокого давления, высокой температуры, аг­рессивной жидкости) проникнове­ние в сосуд и контакты с измеряе­мой средой невозможны. Такие ус­ловия часто встречаются в ЦБП. Поэтому радиоизотопные уровне­меры, особенно сигнализаторы уровня, так называемые гамма-реле, с успехом эксплуатируются на различных комбинатах. Уровнемеры с радиоизотопными датчи­ками делятся на две группы: со следящей системой для непре­рывного измерения уровня и сигнализаторы отклонения уровня от заданного значения.

(6-5)

Радиоизотопные уровнемеры основаны на поглощении у-лу-чей при их прохождении через слой вещества. Общее поглоще­ние интенсивности у-излучения веществом выражается экспонен­циальной зависимостью

/_и = /₀ехр(—1хк),

где /_и— интенсивность лучей после прохождения слоя вещества толщиной х; /о — начальная интенсивность излучения; ц — коэффициент ослабления у-из-лучения, зависящий от природы и толщины вещества.

Эта зависимость справедлива для узкого и параллельного пучка монохроматического излучения и однородного поглоти­теля.

Возможны три принципиальные схемы радиоизотопных уров­немеров (рис. 6-6), на которых цифрой / отмечен излучатель, а 2 — приемник и измерительное устройство. Схемы, показан­ные на рис. 6-6, а, б, применяются в тех случаях, когда нет до­ступа в сосуд. Схему, приведенную на рис. 6-6, с, можно приме­нять как сигнализатор максимального или минимального уровня (при неподвижном излучателе и приемнике излучения) или для

непрерывного измерения уровня (уровнемеры со следующей си­стемой) .

При небольшом столбе жидкости (до 1 м для легких жидко­стей) можно применять схему, показанную на рис. 6-6, б. Схему, приведенную на рис. 6-6, в, целесообразно применять в тех слу­чаях, когда в сосуд можно поместить поплавок.

Радиоизотопный уровнемер со следящей системой (типаУР-8)

«выполнен по схеме рис. 6-6, а. Он предназначен для непрерыв­ного бесконтактного измерения границы раздела двух сред раз­личной плотности: газ — жидкость, жидкость — жидкость; газ —

^твердое или сыпучее тело; жидкость — твердое или сыпучее

^тело.

Действие прибора основано на сравнении интенсивности по­токов у-лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух |сред равной плотности.

Комплект прибора состоит их трех блоков: первичного радио-' изотопного преобразователя уровня, включающего в себя источ­ник и приемник излучения и устройство для перемещения си­стемы источник — приемник; вторичного электронного преобра­зователя—измерительного блока; показывающего прибора.

Максимальные значения измеряемого уровня радиоизотопным Куровнемером достигают 10 м, а основная абсолютная погреш­ность измерения не превышает ± 1 см.

В ЦБП наиболее распространены гамма-реле (типов ГР-1 — ГТМ4). Конструктивные модификации этих сигнализаторов предназначены для автоматического бесконтактного контроля уровня вещества в различных труднодоступных, герметичных, [взрывоопасных емкостях, а также для автоматизации процесса ^загрузки стационарных и движущихся емкостей. Вещества мо­гут быть любой проводимости, агрессивности и находиться в различных фазовых состояниях.

Гамма-реле состоит из радиоизотопного датчика и измери­тельного электронного блока, выход которого через реле связан с сигнализирующим устройством.