1. Классификация уровнемеров.

Уровнемеры - приборы для измерения или контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов в резервуарах, хранилищах, технологических аппаратах химических производств и т. п. Приборы для определения количества жидкости или сыпучего материала с целью их учета и сигнализации о переполнении бункеров, расходных баков и др. сосудов наз. уровнемерами широкого диапазона измерений. Последний определяется в данном случае геоиемтрическими размерами сосудов. Эти приборы снабжены шкалами с делениями, которые находятся по одну сторону от нулевой отметки (расположена в начале отсчета); шкалы градуируются в см, дм и м. При необходимости поддержания уровня на заданной высоте приборы показывают величину его отклонения от нормального положения и называются уровнемерами узкого диапазона измерений (100-150 мм). Шкалы данных приборов имеют деления по обе стороны от нулевой отметки (находится посередине) и градуируются в мм и см.

1.1. Уровнемеры для жидкостей

По принципу действия эти уровнемеры разделяются на визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные.

Визуальные уровнемеры (рис. 2) - простейшие измерители уровня жидкости. К технологическому аппарату 1 через запорные вентили 2 подсоединено указательное стекло (трубка 3). Аппарат и трубка представляют собой сообщающиеся сосуды, поэтому уровень H жидкости в трубке всегда равен ее уровню в аппарате и отсчитывается по шкале.

Поплавковые уровнемеры. Чувствительный элемент - поплавок, находящийся на поверхности жидкости (рис. 3, а). Поплавок 1 уравновешивается грузом 3, который связан с поплавком гибким тросом 2. Уровень жидкости определяется положением груза относительно шкалы 4. Пределы измерений устанавливают в соответствии с принятыми значениями верхнего (ВУ) и нижнего (НУ) уровней.

1-технологический аппарат; 2-запорные вентили; 3-трубка;

Рисунок 2 – Визуальный уровнемер

Значительно надежнее тонущие поплавки - массивные буйки (рис. 3, б). При изменении уровня жидкости по закону Архимеда изменяется действующая на конец рычага 2 выталкивающая сила (вес буйка 1). Соотв. изменяющийся момент сил, действующих на рычаг 2, от буйка передается через вал 5, закрепленный в донышке 7, на трубку 6 и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручивания трубки пропорционально величине уровня.

Гидростатические уровнемеры. Их действие основано на уравновешивании давления столба жидкости p в аппарате (хранилище) давлением столба жидкости, заполняющей измерит, прибор, или пружинным механизмом (р = Hr, где r = const - плотность жидкости). При достаточно больших значениях уровня и в отсутствие избыточного давления над жидкостью в качестве уровнемеров можно применять манометр с трубчатой пружиной, устанавливаемый на отметке так называемого нулевого уровня (рис. 4).

а - с плавающим поплавком;

б - с тонущим поплавком;

Рисунок 3 - Поплавковые уровнемеры

Рисунок 4 - Уровнемер-манометр с трубчатой пружиной

Измерение уровня в открытом резервуаре (а) и аппарате, работающем под давлением (б);

Рисунок 5 - Дифманометрические уровнемеры

Дифманометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в открытых (атм. давление) или закрытых (давление либо разрежение) резервуарах (рис. 5). Относительно постоянный уровень жидкости в одном из колен измерит, прибора (дифманометра), а следовательно, и в контролируемом аппарате обеспечивается уравнительным сосудом (наполнен до определенного уровня той же жидкостью, что и в аппарате). Высота столба жидкости в другом колене дифманометра изменяется с изменением уровня в аппарате. Каждому значению уровня в нем отвечает некоторый перепад давления, обусловленный расстоянием по высоте между аппаратом и прибором. Если аппарат работает при атмосфером давлении, уравнительный сосуд размещают на отметке нулевого уровня (рис. 5, а), если под давлением - на высоте макс. уровня (рис. 5, б).

а – неагрессивные ; б – агрессивные жидкости под давлением

Рисунок 6 – Пьезометрические уровнемеры

Пьезометрические уровнемеры (рис. 6) основаны на принципе гидравли-ческого затвора (обычно водяного). Для измерения уровня используют воздух или инертный газ, который под давлением р продувают через слой жидкости (р_х - давление над ней). Кол-во воздуха ограничивают диафрагмой 1 или регулирующими вентилями 2 так, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимальна (с целью уменьшения потерь на трение). Для контроля расхода воздуха устанавливают спец. стаканчики 3 или ротаметры. Уровень жидкости H=(р-р_x)/p_ж, где р_ж- плотности замыкающей жидкости в дифманометре. Перепад давления (р-р_х)определяется по высоте столба жидкости h в манометре. В случае измерения уровня агрессивных жидкостей необходимо подводить воздух в обе линии, подсоединяемые к дифманометру. Пьезометрические приборы широко применяются для измерения уровня жидкости в подземных резервуарах.

Электрические уровнемеры (рис. 7). В них измеряемые значения уровня жидкости преобразуются в соответствующие электрические сигналы. Наиболее распространены емкостные и омические приборы.

а - емкостный; б – омический;

Рисунок 7 - Электрические уровнемеры

1, 2 - генераторы, соответствующий, управляющий и импульсов; 3 - пьезоэлектрический излучатель; 4 - усилитель импульсов; 5 - измеритель времени; 6 - вторичный прибор

Рисунок 8 - Ультразвуковой уровнемер

Емкостные уровнемеры (рис. 7, а). Вместе со стенками сосуда 1 электрод 2 образует чувствительный элемент -цилиндрический конденсатор, электрическая емкость которого изменяется пропорционально уровню жидкости. Емкость измеряется электронным блоком 3, сигнал из которого поступает в блок 4, представляющий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достижения определенного уровня) или указывающий прибор (в схемах измеренного уровня).

Омические (кондуктометрические) уровнемеры (рис.7,б)основаны на измерении сопротивления при замыкании электрической цепи, образованной электромагнитным реле 1, электродом 2 и контролируемой средой (уровень У) электропроводностью от 2·10~³ См.

Ультразвуковые уровнемеры (рис. 8). В них используется явление отражения ультразвуковых колебаний (импульсов) от плоскости раздела жидкость-газ (обычно воздух). Время между моментом посылки первичного импульса и моментом возвращения отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня. Эти приборы позволяют измерять уровень без контакта с контролируемой средой в труднодоступных местах.

Радиоизотопные уровнемеры основаны на сравнении интенсивностей потоков a- или b-излучения, проходящих выше либо ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Применение этих приборов целесообразно в случае невозможности использовать иные уровнемеры.

1.2. Уровнемеры для сыпучих материалов.

Уровнемеры для сыпучих тел имеют свои особенности. Характерным отличием сыпучих материалов от жидкостей является непропорциональность передачи давления на дно и стенки емкости в зависимости от уровня в ней контролируемого вещества. Простейшие уровнемеры для сыпучих материалов выполняются с чувствительными элементами, соприкасающимися с поверхностью вещества. Изменение уровня дистанционно передается на вторичный измерит, прибор.

1 – пневматический генератор импульсов; 2 – мембранный привод;

3 – собачка; 4 – храповое колесо; 5 – зонд (лот); 6 – сыпучий материал;

7 – груз; 8 – пневмопреобразователь; 9 – манометр;

Рисунок 9 – лотовый уровнемер

Наиболее, распространены лотовые уровнемеры (рис. 9). В них зонд (лот) 5 и груз 7 подвешены на блоке храпового колеса 4. Зонд периодически приподнимается с помощью управляемого пневматическим генератором импульсов пневматического мембранного привода 2 (воздействующего на колесо через собачку 3) и опускается на поверхность сыпучего материала 6 под действием силы тяжести. Если уровень не изменяется, зонд поднимается и опускается на одно и то же расстояние. При понижении уровня материала зонд опускается на большее расстояние, чем поднимается, и наоборот. Уровнемер должен работать так, чтобы при изменении уровня в заданных пределах давление сжатого воздуха на выходе прибора изменялось от 20 до 100 кПа. С выхода пневмопреобразователя 8 воздух подается на вторичный прибор. Лотовые уровнемеры позволяют измерять уровень до 20 м. В меньшей степени для определения уровня сыпучих материалов применяют также поплавковые, массовые и электрические (емкостные).