4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рисунке

72 а.

Рисунок 2.72 – Емкостной уровнемер (а) и его схема замещения (б):

1,2 – электроды; 3 – резервуар; 4 – изолятор

Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой Н заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Н – h – воздухом.

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

C 0 H , ln d2 / d1

где ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н – высота электродов; d1, d2 – диаметры внутреннего и наружного электродов.

Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода.

Достоинства:

простота конструкции и эксплуатации;

удобства монтажа и обслуживания;

надежность; высокая точность (существуют емкостные уровнемеры, основная

погрешность которых не превосходит 0,1–0,2 %);

131

может применяться в широком диапазоне технологических параметров, в частности, в условиях переменной плотности, повышенных температур (до 540 °C), высоких давлений (до 345 бар), при наличии вязких/клейких продуктов;

может применяться для непрерывного или точечного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов;

применяется для измерения уровня границы раздела сред;

невысокая стоимость;

повышенная чувствительность;

быстрота срабатывания;

может работать с опасными и агрессивными веществами.

Недостатки:

высокая чувствительность к изменению электрических свойств жидкостей, обусловленных изменением их состава, температуры и т. п.;

образование на элементах датчика электропроводящей или непроводящей пленки вследствие химической активности жидкости, конденсации ее паров, налипания самой жидкости на контактирующие в ней элементы и т. п.;

необходимость применения дополнительного опорного электрода в неметаллических резервуарах или в резервуарах, не имеющих вертикальных стенок;

калибровка емкостного уровнемера может вызывать затруднения, особенно в случае невозможности «калибровки на стенде»;

работа емкостных уровнемеров сильно затруднена в условиях сильного пенообразования.

требуется дополнительная изоляция материалов при работе с диэлектриками;

необходима настройка работы под каждый конкретный вид продукта, а также поправка чувствительности при изменении температуры продукта;

чувствительны к налипанию вещества на зонд.

Последние два недостатка обусловливают появление существенных дополнительных погрешностей. С первым из них борются, применяя различные компенсационные схемы; второй устраняют, используя адгезионные покрытия элементов датчика, вводя специальные присадки в жидкость, применяя "снос" образующейся пленки и т. д.

2.13.6 Гидростатический уровнемер

Принцип действия гидростатических уровнемеров (рисунок 2.73 а) основан на измерении давления столба жидкости, высота которого равна высоте уровня жидкости в сосуде. Гидростатическое давление при этом измеряется либо с помощью двух манометров (М1 М2), либо одним дифференциальным манометром (ДМ).

132

Рисунок 2.73 – Гидростатический (а) и пьезометрический (б) уровнемеры

Измерение уровня в открытом резервуаре

Для того чтобы получить значение уровня в открытом резервуаре, необходимо измерить гидростатическое давление жидкости. Столб жидкости оказывает воздействие на основании столба, обусловленное весом жидкости. Это воздействие, называемое гидростатическим давлением или давлением столба жидкости, может быть измерено в единицах давления. Гидростатическое давление определяется следующим уравнением:

P=h·γ,

где Р – гидростатическое давление; h – высота столба; γ – удельный вес.

При изменении уровня (высоты столба) жидкости пропорционально изменяется и гидростатическое давление. Поэтому простейшим способом измерения уровня в резервуаре является установка датчика давления на самом нижнем уровне. Уровень жидкости над точкой измерения может быть получен из величины гидростатического давления, если формулу, указанную выше, преобразовать для расчета высоты.

Измерение уровня в закрытом резервуаре

Если резервуар находится под давлением, то показаний одного датчика избыточного давления недостаточно, так как датчик не может распознать, вызвано ли изменение общего давления изменением уровня жидкости или изменением давления в резервуаре. Для решения этой задачи в закрытых резервуарах должен применяться датчик перепада давления, чтобы скомпенсировать давление в резервуаре.

При измерении перепада давления изменение суммарного давления в резервуаре в равной степени воздействует на верхний и нижний отбор, поэтому влияние внутреннего давления полностью исключается.

На нижнем отборе вблизи дна резервуара, измеряется сумма гидростатического давления и давления в парогазовом пространстве. На верхнем отборе измеряется только давление в парогазовом пространстве. Разность давлений на отборах (дифференциальное давление) используется для определения уровня.

Гидростатический уровнемеры применяются для:

133

–непрерывного мониторинга давления и уровня воды или иных жидкостей разной плотности, загрязненности и агрессивности (кислоты, высоковязкие и пастообразные продукты);

–замера уровня газов в резервуарах;

–регистрации данных состояния среды измерения для последующего использования в автоматизированной системе;

–сигнализации по определенным событиям (например, достижение определенной температуры и уровня);

–обследования узких труб и иных труднодоступных мест;

–защиты скважинных насосов от «сухого» (холостого) хода;

–управления технологическими процессами в автоматизированных системах (таких как насосные станции или канализационные системы);

–контроля и наблюдения за опустошением хранилищ;

–слежения за осадкой и положением судна.

Преимущества:

низкая цена;

простота в эксплуатации;

могут применяться практически в любых резервуарах и любыми жидкостями, включая суспензии;

могут работать в широком диапазоне давлений и температур, а так же при наличии пены и неспокойной поверхности.

Недостатки:

на погрешность измерения может повлиять изменение плотности жидкости.

необходимо соблюдать особые меры предосторожности при работе с вязкими, коррозионно-активными или иными агрессивными жидкостями;

не работают со средами, находящимися в твердом состоянии.

если датчики давления установлены с импульсными трубками (сухие и мокрые колена), тогда на их работу будет влиять изменение температуры окружающей среды из-за изменения плотности заполняющей жидкости в мокром колене или накопления конденсата в сухом колене.

Гидростатические уровнемеры с механическими воспринимающими элементами отличаются простотой монтажа и обслуживания, высокой надежностью. Однако их чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с контролируемой средой, что требует в ряде случаев применения для датчиков специальных материалов, существенно сужает область их использования. От указанного недостатка свободен один из типов гидростатических уровнемеров – пьезометрический, принципиальная схема которого приведена на рисунок 2.73 б.

Пьезометрический уровнемер содержит регулятор давления 3, контрольный прозрачный сосуд 1, манометр 2. Редуктором создается такое давление воздуха, при котором в баке 4 только-только исчезают пузырьки. При этом давление воздуха будет прямо пропорционально уровню жидкости в сосуде 4. Контроль над практическим прекращением движения воздуха в баке

134

(который, как правило, закрыт) ведут по моменту редкого прохождения пузырьков в контрольном сосуде 1.

Пьезометрические уровнемеры пригодны для измерения уровня любых, в том числе, и агрессивных жидкостей (при правильном выборе материала импульсной трубки). Единственный лимитирующий фактор – вязкость жидкости. Влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков газа, отрыв которых от обреза трубки сопровождается возникновением колебаний давления и расхода в измерительной линии, что резко снижает точность измерений. Поэтому пьезометрические уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей, вязкость которых не превышает 2 000 сСт.

2.13.7 Магнитный уровнемер

Магнитный уровнемер – это вертикальный индикатор, состоящий из камеры, установленной на технологическом резервуаре, и колонки с визуальными указателями для индикации уровня.

В камере размещены магнитные поплавки, которые движутся вверх и вниз вместе с поверхностью среды и переключают или перемещают указатели в колонке, как показано на рисунке 2.74. Поплавки могут также управлять переключением магнитострикционных датчиков, чувствительных к магнитному полю.

Рисунок 2.74 – Магнитный индикатор уровня

Камера указателя изготовлена из немагнитного материала, стойкого к технологическим средам и способного противостоять воздействию температуры и давления. Камера устанавливается на технологическом резервуаре таким образом, что уровень жидкости в камере совпадает с уровнем жидкости в резервуаре, но поверхность среды в камере более спокойная. Камера присоединяется к резервуару чрез отборные трубы и может иметь несколько присоединений. В ней содержатся те же жидкости и границы раздела сред, что и в технологическом резервуаре, при условии, что присоединения обеспечивают надлежащее сообщение камеры и резервуара.

135

Магнитный поплавок или поплавки, находящиеся в камере, рассчитаны таким образом, чтобы находиться на уровне верхней жидкости и/или на границе раздела двух жидкостей с учетом их удельного веса. Указатели обычно состоят из корпуса, в котором помещается колонка с флажками или роликами. Линии силового поля от намагниченного поплавка проходят сквозь стенки камеры и воздействуют на флажки или ролики, в результате чего они разворачиваются обратной стороной, окрашенной в контрастный цвет.

Таким образом, осуществляется индикация положения поплавка (поплавков) в камере. Уровень жидкости или границы раздела сред в камере поднимается и опускается; соответственно поднимается и опускается поплавок (поплавки), и положение уровня отображается на указателе. Линии магнитного силового поля могут воздействовать также на магнитострикционные датчики или магнитные реле любого типа, например, герконовые, установленные на колонке.

Конструкция поплавка зависит от давления в резервуаре и удельного веса технологической жидкости во всем диапазоне рабочих температур. Наиболее сложными являются процессы, в которых сочетаются высокая температура, высокое давление и низкий удельный вес, магнитные индикаторы могут применяться при температурах до 538 °C, при давлении свыше 275 бар и в жидкостях с удельным весом 0,4 и ниже.

Преимущества:

в самом указателе не содержится технологическая жидкость, чем устраняется опасность выброса жидкости в окружающую среду в случае разрушения стекла или из-за нарушенного уплотнения;

возможно наблюдение за уровнем с расстояния;

возможен контроль бесцветных жидкостей или для жидкостей, которые вызывают загрязнение или травление смотрового стекла;

большой срок службы.

Недостатки:

магнитные поплавки подвержены загрязнению и заклиниванию;

липкая среда, содержащая вещества, подобные парафину, может стать причиной застревания или зависания поплавка, если температура камеры опустится ниже температуры технологического процесса;

поплавки могут повредиться во время гидравлических испытаний, при очистке паром, а также в ходе запуска и остановки технологического процесса.

2.13.8 Кондуктометрические уровнемеры

Принцип действия кондуктометрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками; газы же, находящиеся в жидкостном пространстве, всегда диэлектрики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков – относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом

136

уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами.

Кондуктометрические уровнемеры (уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (в том числе, и жидких металлов). Первичный преобразователь (рисунок 2.75) кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уровня. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. При измерении уровня «сверхпроводящих» жидкостей (например, жидких металлов) возможно применение кондуктометрических уровнемеров с одним электродом, роль второго электрода при этом выполняет заземленный сосуд.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров – непостоянство площадей поперечных сечений электродов (и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов), а также образование на электродах пленки (окисла, соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности датчика. Обычно уровнемер используется в качестве сигнализаторов уровня пенящихся продуктов и, чаще всего в тех случаях, когда датчики монтируются на боковых стенках резервуаров.

Рисунок 2.75 – Первичный преобразователь кондуктометрического уровнемера (а); вертикальное размещение датчиков уровня в открытом неметаллическом

резервуаре (б); горизонтальное размещение кондуктометрических датчиков уровня в закрытом металлическом резервуаре (в)

Кондуктометрический метод обнаружения пара и воды – проверенный метод измерения. Разница в сопротивлении воды и пара очень большая, что обеспечивает простоту и надежность измерений. Применение электронного метода измерения уровня воды, обнаружения воды/пара обеспечивает высокий уровень самодиагностики и достоверности измерений по сравнению с механическими уровнемерами.

137

Преимущества:

датчики и арматуру можно без труда изготовить из материалов, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам;

воздействие высоких температур (например, при выполнении процедуры «мойки на месте») не оказывает влияния на работу датчика;

простота и низкие затраты на его реализацию;

является идеальным при регулировании по двум точкам (например, при управлении насосом).

Недостатки:

может использоваться для сигнализации уровня только токопроводящих жидкостей и реализуется только в предельных выключателях; система перестает действовать, если датчик загрязняется

непроводящим ток веществом, например, жиром или маслом;

при измерении уровня продуктов, которые могут оседать на поверхности датчика (образуя, таким образом, пленку), необходимо пользоваться модификацией уровнемера с низким сопротивлением;

модифицированный уровнемер может «отличить» продукт от пленки продукта, образовавшейся на датчике;

отсутствие подвижных частей;

предел рабочей температуры ограничивается применяемыми материалами и составляет 500 °C;

на точность существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов.

2.13.9 Акустические уровнемеры

Существуют и находят применение акустические уровнемеры трех основных типов

–Локационные уровнемеры – используют для работы эффект отражения УЗ колебаний от границы раздела сред. Именно эти уровнемеры называются ультразвуковыми. Положение уровня, здесь, определяется по времени прохождения ультразвуком расстояния от источника до поверхности и обратно до приемника.

–Уровнемеры поглощения – в основе принципа действия этого вида уровнемера лежит явление рассеивания или поглощения звуковой энергии в различных веществах. Для определения уровня среды в емкости определяется степень ослабления интенсивности ультразвуковых волн при прохождении через слои газа и жидкости. Сигнал здесь учитывается при отражении не от границы раздела двух сред, а от дна резервуара.

–Резонансные уровнемеры – приборы такого вида работают по принципу возбуждения колебаний столба газа над уровнем жидкости и в последующем измерении резонансной частоты, при которой наблюдается возникновение так называемой «стоячей волны».

Локационные ультразвуковые уровнемеры получили наибольшее

распространение. Измерение уровня локационным способом может

138

осуществляться либо через газовую среду над жидкостью (подразумевается установка сверху), либо снизу через слой жидкости.

На рисунке 2.76 представлен локационный уровнемер. Генератор Г излучает в жидкость пачку импульсов высокой (ультразвуковой) частоты. Отраженный от границы раздела жидкость-газ сигнал улавливается приемником П ультразвуковых колебаний. Время t между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода отраженного от уровня импульса связано с текущим значением уровня зависимостью:

t 2h

c sin

Время t фиксируется соответствующей измерительной схемой и преобразуется в выходной сигнал уровнемера, пропорциональный (при постоянном и известном значении с) текущему значению уровня h.

h

Рисунок 2.76 – Локационный уровнемер

Локация уровня может производиться снизу (как показано на рисунок 2.10)

исверху. Во втором случае по времени прохождения ультразвуковых колебаний через газ определяется толщина газовой подушки. Локация снизу предпочтительней, так как при этом требуется меньшая мощность излучателя, и меньшее усиление сигнала в приемной части уровнемера.

Локационные уровнемеры, работающие через газовый слой, имеют погрешность, зависящую от скорости звука в определенных условиях давления

итемпературы газа. Также на уровнемеры этого типа оказывает влияние поглощение ультразвуковых волн газом, что требует более мощного источника УЗ волн. Стоит заметить, что локационные уровнемеры верхней установки не зависят от изменения физических характеристик жидкости, поэтому, они используются для измерения уровня неоднородных, кристаллизующихся и кипящих жидкостей, содержащих пузырьки газа и др.

Уровнемеры типа «локация через жидкость» – используются для сред с высоким давлением. Они требуют значительно менее мощного источника излучения УЗ волн, однако, они требовательны к различным включениям в жидкости (вплоть до того, что пузырьки газа при вскипании оказывают на них огромное влияние). Таким образом, такие уровнемеры используются только для однородных жидкостей. К тому же они, как и уровнемеры типа «локация через газ», зависят от температуры и давления среды.

139

Недостаток локационных уровнемеров – их повышенная чувствительность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа). Этот недостаток отсутствует у двухканальных уровнемеров, работающих по схеме совпадений. В этом случае излучение ультразвуковых колебаний осуществляется одновременно двумя датчиками. Отраженные сигналы усиливаются и суммируются, срабатывание системы измерения времени происходит только от суммарного сигнала. Если же из-за наличия включений в зоне работы какого– либо датчика один из отраженных сигналов опережает другой, система измерения времени не срабатывает и, тем самым, исключается возможность ошибочного измерения уровня. Другой способ устранения влияния неоднородности жидкости и деформации уровня – использование звук оводов. В этом случае локация уровня производится сверху, но не через газ, а через специальный жидкостный или металлический звуковод. В точке встречи звуковода с жидкостью происходит отражение сигнала, по времени прихода, которого к приемнику и определяется положение уровня жидкости. Такие уровнемеры (со звуководами) обладают сравнительно невысокой точностью (порядка ±3%), но зато значительно расширяются их эксплуатационные возможности. В частности, они могут использоваться для измерения уровня низкокипящих жидкостей, при высоких температурах контролируемых веществ.

Достоинства:

точность измерения не зависит от физических свойств анализируемого продукта (электропроводности, диэлектрической постоянной, вязкости, плотности и т.п.);

бесконтактные средства измерения обычно не подвержены эрозии и не могут «засоряться», «обволакиваться»;

в последнее время созданы датчики, предназначенные для применения в высоких, узких, запыленных емкостей.

Недостатки:

влияние тепловое расширение сосуда и изменение скорости звука в среде на точность измерения;

нельзя применять в условиях вакуума;

нельзя применять при температурах выше 100 ºС;

ультразвуковые колебания плохо распространяются в атмосфере углекислого газа;

повышенная чувствительность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа);

наличие пены на поверхности жидкости приводит к снижению уровня отраженного сигнала.

2.13.10 Волноводный уровнемера

Принцип действия волноводного уровнемера основан на распространении высокочастотных радиоколебаний в волноводе, размещенном в жидкости и измерении отражения этих колебаний от уровня раздела жидкость–газ или жидкость–жидкость с разными диэлектрическими проницаемостями (рисунок 2.77). Математическое описание аналогично радарным и ультразвуковым

140