8.5. Индуктивные уровнемеры
Принцип действия индуктивных уровнемеров основан на зависимости индуктивности одиночной катушки или взаимной индуктивности двух катушек от глубины погружения их в электропроводную жидкость. Такая зависимость обусловлена возникновением в жидкости под действием магнитного поля переменного тока возбуждения вихревых токов, магнитное поле которых оказывает размагничивающее действие на поле тока возбуждения. Действительно, по определению индуктивность L катушки представляет собой отношение магнитного потока Ф к току I, создающему этот поток: L = Ф/I. При погружении катушки в жидкость в ней создаются вихревые токи, магнитное поле которых по закону Ленца направлено навстречу основному, т.е. результирующий магнитный поток будет меньше потока «сухой» катушки. Это означает, что индуктивность погруженной катушки меньше индуктивности сухой катушки. Таким образом, если индуктивный преобразователь представляет собой одиночную длинную катушку, то ее индуктивность и полное сопротивление Z = R + jwL будут зависеть от глубины погружения (R – активное сопротивление катушки, w – круговая частота тока возбуждения). Существуют индуктивные преобразователи, содержащие две индуктивно связанные катушки, образующие трансформатор (трансформаторные преобразователи).
Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня.
8.6. Ультразвуковые уровнемеры
Для измерения уровня широко используются ультразвуковые датчики.
Распространение ультразвуковых (> 20000 Гц) колебаний в твердых, жидких, газообразных средах зависит от свойств среды. Скорость распространения этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей – от 1100 до 2000, для твердых металлов – от 1500 до 8000 м/с. В газах скорость колебаний сильно зависит от давления.
Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощающая способность разных сред. Коэффициент отражения (соотношение энергии отраженной и падающей волны) на границе «вода – сталь» составляет 0,88, на границе «вода – трансформаторное масло» – 0,6. Даже при малых коэффициентах отражения полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измерения положения уровня раздела двух сред. Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без измерительных вводов в резервуар. В ультразвуковых датчиках информация о различных неэлектрических величинах получается благодаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, значения амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний. Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используются пьезоэлеметы. Пьезокристалл, к которому приложено переменное напряжение, сжимается и растягивается. В свою очередь, давление, приложенное к пьезокристаллу, вызывает появление электрического заряда на гранях кристалла. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно как излучателем, так и приемником ультразвуковых колебаний.
Примеры ультразвуковых измерительных систем:
1. В эхолоте, измеряющем глубину
моря, ультразвуковые колебания
пьезоэлемента направляются вертикально
вниз, отражаются и воспринимаются
пьезоэлементом – приемником. Глубина
.
2. Локаторы, определяющие расстояние до препятствия на пути движущегося объекта в горизонтальном направлении (корабль, робокар, летучая мышь).
3. Обнаружение дефектов в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках.
4. Ультразвуковые датчики, широко использующиеся в приборах для измерения расхода, уровня, давления.
В подобных технических измерительных системах используются генераторы напряжения частотой более 20 кГц или импульсные генераторы. Последние используются в уровнемерах, когда пьезоэлемент попеременно работает то излучателем, то приемником ультразвука.
В результате многократного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса.
Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают точность в 1 % при изменении уровня в 5÷10 м в условиях высокой температуры, высокого давления, большой химической активности среды.
По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.
В локационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость – газ. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела.
В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа.
В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от уровня жидкости.
Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью (такие уровнемеры иногда называют акустическими), либо снизу через слой жидкости (такие уровнемеры иногда называют ультразвуковыми). Недостатками уровнемеров первого типа являются погрешность от зависимости скорости ультразвука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость.
Однако на показаниях таких уровнемеров не сказывается изменение характеристик жидкости, поэтому такие уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Такие уровнемеры используются для жидкостей, имеющих температуру не более 80 °С и давление не более 4 МПа.
Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред, находящихся под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука в жидкости. На рис. 8.7 представлена упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа типа ЭХО-1.
Рис. 8.7. Схема акустического уровнемера ЭХО-1
Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом путем подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2 (H – h) /c, где c – скорость ультразвука в газе.
Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0÷5 мА, измеряемый вторичным прибором 6.
Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя. Уровнемер ЭХО-1 может иметь диапазоны измерения 0÷1, 0÷2, 0÷3 м; класс точности уровнемера 2,5.
Принципиальная схема уровнемера с локацией через жидкость аналогична схеме, представленной на рис. 8.7. Разница может заключаться в ином способе температурной компенсации. Основная погрешность уровнемеров с локацией через жидкость не превышает 2,5 % диапазона измерения уровня.