Измерение уровня сосуды под давлением
Понятие уровень, единицы измерения.
В производственных процессах химической промышленности большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в технологических аппаратах, различных емкостях и в резервуарах.
Измерение уровня в технологических аппаратах.
Измерение уровня в технологических аппаратах позволяет контролировать в них вещества, необходимого для протекания технологических процессов в требуемом направлении. Запас вещества в аппаратах должен быть вполне определенным и значительное уменьшение или увеличение его по сравнению с номинальным значением может привести к нарушению производственного процесса. Измерение уровня в аппаратах производится обычно в относительно небольшом диапазоне его измерения, причем высокая точность при измерении не требуется. Необходимо следить лишь за тем, чтобы уровень вещества не был больше или меньше допустимых значений.
Измерение уровня в емкостях и резервуарах.
Измерение уровня в емкостях и резервуарах производится с целью учета количества находящегося в них вещества. В резервуарах больших размеров приходится измерять уровень, изменяющийся в большом диапазоне. Кроме того, точность измерения уровня должна быть достаточно высокой.
– Уровень измеряется в единицах длины – метрах. На заводе его часто измеряют в %.
– Измерение уровня вещества дает возможность, как уже говорилось выше, производить расчет количества и массы вещества для его учета.
Определение количества жидкости или сыпучих материалов.
При постоянном по высоте сечении емкости (резервуара) объем продукта может быть получен умножением площади поперечного сечения на значение уровня вещества, поэтому измерение объема здесь сводится к измерению уровня.
При переменной площади поперечного сечения резервуара по высоте надо знать зависимость этой площади от высоты.
Определение массы вещества.
Измерение массы вещества производится путем определения его объема и измерения плотности вещества. Умножая объем на плотность, получают массу вещества. Это умножение производят или вручную или автоматически при помощи приборов.
Методы измерения уровня, приборы для его измерения.
В производстве для контроля уровня веществ применяют различные уровнемеры, работающие на различных методах измерения уровня.
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3. Гидростанические уровнемеры;
4. Дифманометрические уровнемеры;
5. Радиоактивные уровнемеры;
6. Уровнемеры раздела фаз;
7. Акустические уровнемеры;
8. Емкостные;
9. Уровнемеры сыпучих веществ.
Уровнемеры с визуальным отсчетом.
Самый простой способ измерения уровня, основанный на методе сообщающихся сосудов. То есть к технологическому аппарату через запорные вентили подключается стеклянная трубка, по которой и наблюдается столб жидкости.
Недостатки: имеется возможность загрязнения трубки, вплоть до полного исчезновения видимости уровня, а также возможность образования воздушных пузырьков внутри стеклянной трубки, что устраняется с помощью дренажного вентиля.
Применяется для контроля уровня жидких и прозрачных веществ по месту.
Буйковые и поплавковые уровнемеры.
Нашли широкое применение для измерения уровня жидкости, как в технологических аппаратах, так и в резервуарах у нас на предприятии.
Принцип действия основан на возникновении выталкивающей силы при погружении поплавка или буйка в жидкость (закон Архимеда), которая либо преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, либо пневматический 0.2-1.0 кгс/см2 для последующей передачи информации на вторичные приборы, по которым оператор наблюдает показания уровня. Гораздо реже можно встретить поплавковые уровнемеры типа УДУ с контролем показаний по месту.
Среди буйковых уровнемеров широко используются такие как Сапфир ДУ, Fischer, имеющие стандартный токовый выходной сигнал 4-20 мА, работающие в комплекте с электронными вторичными приборами, как Ш-711, Ремиконт, МОД-30, дающими возможность не только наблюдать уровень, но и получить сигнализацию и блокировку по различным уставкам с помощью дополнительных устройств, таких как УАС, УЗС.
При работе в зимнее время эти уровнемеры нуждаются в обогреве по причине возможности образования наледи, как на внутренних элементах самого прибора, так и в направляющей трубе, в которой находится буек, возникающей при колебаниях температуры, как продукта, так и окружающей среды.
Среди поплавковых уровнемеров применение нашли УБП, УДУ, имеющие стандартный выходной сигнал 0.2-1.0 кгс/см2, работающие в комплекте с вторичными приборами типа ПВ10.1, ППВ1.1. Эти приборы не нуждаются в обогреве. В настоящее время на заводе ведется замена устаревших пневматических приборов КИП на более современные приборы, имеющие лучшие характеристики точности показаний и дающие больше возможностей по обработке информации от датчиков.
Одним из таких приборов является уровнемер ENRAF голландской фирмы. Точность измерения уровня составляет 0.1 мм. Это очень чувствительный прибор-преобразователь силы. Он постоянно взвешивает вес поплавка и сравнивает с уставкой, которая представляет собой вес поплавка минус выталкивающая сила. Если вес поплавка равен уставке, то прибор считает, что поплавок на уровне.
Прибор показал надежную работу на предприятии. Основные эксплуатационные требования: обогрев в зимнее время на резервуарах, где продукт – газ, а также отсутствие ударов вибраций и т. п. из-за которых выходит из строя чувствительный элемент или прибор сбивается. При остановке резервуара на ремонт необходимо перед демонтажем прибора: поднять поплавок, отключить питание 220в, заблокировать прибор механически.
Уровень раздела фаз.
Принцип действия основан на разных электропроводностях жидкостей. В емкость устанавливается электрод, который кабелем соединяется с вторичным прибором Ф-70. В качестве 2-го электрода используется сам корпус емкости. Применяется для разделения 2-х фаз электропроводной воды, от неэлектропроводной, с последующим отводом воды из емкости. Важным условием нормальной работы прибора является обеспечение герметичности конструкции электродов.
Гидростатические уровнемеры.
Гидростатический метод измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное уровню, которое преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Пример: Сапфир ДГ.
Дифманометрические уровнемеры.
Применяются для измерения уровня жидкости, как под атмосферным, так и под избыточным давлением. Каждому значению уровня жидкости в емкости соответствует определенный перепад давления, который измеряется прибором. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Давление в аппарате не влияет на результат измерения, т. к. оно одинаково воздействует на «+» и «-» камеры. При работе на агрессивных средах, трубки между аппаратом и разделительными сосудами продувают воздухом или инертным газом.
Акустические уровнемеры. ( Ультразвуковые)
Принцип действия основан на локализации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, отходящую над контролируемой жидкостью и явлении отражения этих импульсов от границы раздела. Разновидностью ультразвукового уровнемера являются радарные уровнемеры типа APEX, обладающие высокой точностью, надежностью и возможностью эксплуатации в различных средах.
Радиоактивные уровнемеры.
Действие таких уровнемеров основано на поглощении γ – лучей при прохождении через слой вещества. Уровнемеры УР-8 используются для измерения уровня жидкостей и твердых сыпучих материалов
.
Емкостные уровнемеры.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости системы «электрод-измерительная среда» от изменения уровня.
Приборы типа ЭИУ предназначаются для измерения не только жидких, но и твердых сыпучих материалов. Для измерения уровня воды, аммиака, мазута, бензина, керосина и смазочных масел предназначены емкостные уровнемеры ЭИУ-1К, фирмы LABKO 2W
Измерение уровня сыпучих материалов.
Для измерения уровня сыпучих веществ могут применяться некоторые из рассмотренных выше уровнемеров. Кроме того, имеются специальные конструкции приборов.
Источник
Работа гидростатических уровнемеров (датчиков контроля уровня) основана на определении показаний гидростатического давления при изменении высоты столба жидкости. Варианты исполнений зависят от условий работы и необходимого способа монтажа.
Где используются гидростатические уровнемеры
Гидростатические датчики контроля уровня имеют простую конструкцию, отличаются невысокой стоимостью и надежностью работы. Широкий модельный ряд позволяет использовать их в любых отраслях, связанных с жидкими средами и в которых необходимы следующие работы:
- Контроль уровня жидкости в любых открытых/закрытых резервуарах.
- Мониторинг запасов подземных вод.
- Вычисление гидрогеодинамической обстановки.
- Расчет расходов сточных вод в стандартных водосливах.
- Контроль уровня различных водоемов/бассейнов, озер, рек.
- Контроль в пищевой промышленности (молоко, вода и т.д.).
- Прогнозирование чрезвычайных ситуаций, вызываемых гидрологическими явлениями (расчет морского волнения и т.п.).
Преимущества гидростатических уровнемеров:
- Возможность обследование труднодоступных мест: труб, скважин и т.д.
- Большой диапазон измерения.
- При дополнительной комплектации датчиками возможна непрерывная регистрация нескольких параметров водной среды (температуры, плотности и т.д.).
- Отсутствие необходимости сложного технического обслуживания.
- Относительно высокая точность и средний ценовой сегмент.
Погрешность гидростатических уровнемеров в основном зависит от параметров измеряемой среды: ее плотности, атмосферного давления в емкости и т.д.
Принцип работы гидростатических уровнемеров
Метод основан на измерении гидростатического давления, оказываемого жидкостью. На основании закона о пропорциональности между высотой столба жидкости и гидростатическим давлением: величина гидростатического давления Рг зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости Δ.
По способу монтажа разделяют фланцевые, врезные и погружные устройства.
- Врезные и фланцевые гидростатические уровнемеры:
- Манометром или датчиком давления, которые подключаются к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня.
- Дифференциальным манометром, который подключается к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью.
- Погружные гидростатические уровнемеры:
- Устройства с измерительной ячейкой, погружаемой в жидкость.
Врезные и фланцевые гидростатические уровнемеры
Рис. 1. Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления
На рис. 1 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений. При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.
Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит. В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.
Рис. 2. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления
Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рис. 2. Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой. В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т.к. результирующий перепад давления на дифманометре равен:
ΔР = (Рг + Ратм) – Ратм = Рг.
Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС).
Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рис. 3. Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке.
Рис. 3. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением уравнительного сосуда; б – с верхним расположением уравнительного сосуда
Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рис. 4. Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде:
ΔР = ΔgHmax – Δgh, где:
Δ – плотность жидкости,
g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
При h = 0, ΔР = ΔРmax, а при h = Hmax , ΔР = 0.
То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной.
Рис. 4. Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда
Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая – в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.
Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рис.5. Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсата и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью.
Рис. 5. Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда; в – для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом
Погружные гидростатические уровнемеры
Погружные гидростатические уровнемеры имеют в своем составе измерительный элемент, расположенный на кабеле и погружаемый в жидкость. В отличие от врезных и фланцевых датчиков уровня, данные устройства не требуют доступ в нижней части емкости, что позволяет применять их в скважинах и колодцах.
Выбираем подходящую модель
Подведем итоги – гидростатические уровнемеры врезного и фланцевого типа подходят только в условиях возможности непосредственного контакта устройств с нижней частью емкости или резервуара. Погружные гидростатические датчики уровня позволяют решать задачи контроля жидких сред в труднодоступных местах. Также, в их конструкцию возможно внесение дополнительных опций (например, установка датчика температуры, датчика измерения плотности, адаптера сточных вод и т.д.).
Варианты исполнений гидростатических датчиков уровня также разделяются по типу измеряемых сред. Материалы и конструкция различаются для неагрессивных и агрессивных сред, пульпообразных веществ, густых и абразивных жидкостей.
По вопросам приобретения и подбора гидростатических уровнемеров Вам достаточно позвонить по телефону
+7 (4812)209-311 или написать по электронной почте @td-urovnemer.ru.
Источник
Для измерения уровня жидкостей применяются специальные средства измерений – уровнемеры. Многообразие типов уровнемеров, принцип действия которых основан на различных физических методах, объясняется разнообразием свойств измеряемых жидкостей.
Наибольшее распространение получили следующие виды уровнемеров:
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3. Гидростанические уровнемеры;
4. Пьезометрические уровнемеры;
5. Дифманометрические уровнемеры;
6. Радиоактивные уровнемеры;
7. Акустические и ультразвуковые уровнемеры;
8. Емкостные уровнемеры.
Уровнемер с визуальным отсчетом – уровнемер, основанный на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Уровень жидкости измеряют в стеклянной трубке, сообщающейся с контролируемым сосудом в нижней, а иногда и в верхней части, или же при помощи прозрачной вставки, помещенной в стенке контролируемого сосуда, например, барабанно-парового котла
Буйковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения буйка или силы гидростатического давления, действующей на буек (силы Архимеда).
Буек в отличие от поплавка не плавает на поверхности жидкости, а погружен в жидкость и перемещается в зависимости от ее уровня.
Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных, жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32 МПа), широком диапазоне температур (от -200 до +600 °С) и не обладающих свойствами адгезии (прилипания) к буйкам.
Главной особенностью буйковых уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей.
Недостатком буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16 м) диапазонов измерения уровней жидкостей и жидкостей, обладающих адгезией к буйку.
Пьезометрический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на преобразовании гидростатического давления жидкости в давление воздуха, подаваемого от постороннего источника и барботирующего через слой жидкости.
У этого уровнемера чувствительный элемент не находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, а воспринимает гидростатическое давление через воздух, что является его достоинством.
Для пьезометрических уровнемеров также характерна погрешность измерения из-за изменения плотности измеряемой среды.
Гидростатический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении манометром или напоромером гидростатического давления жидкости, зависящего от высоты ее уровня.
Уровнемеры этого вида обычно используют для измерения неагрессивных, незагрязненных жидкостей, находящихся под атмосферным давлением.
Для измерения уровней агрессивных сред используют специальные разделительные устройства.
Недостатком гидростатических уровнемеров является погрешность измерения при изменении плотности жидкости.
Поплавковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости (поплавок как бы отслеживает уровень жидкости).
Поплавковые уровнемеры не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой.
При измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.
Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровней в больших открытых резервуарах, а также в закрытых резервуарах с низким давлением.
Применение магнитной связи для передачи перемещения поплавка позволяет герметизировать вывод передачи в измерительный блок, упростить конструкцию, повысить надежность, измерять уровень в резервуарах под давлением.
Дифманометрический уровнемер – гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление измеряют при помощи дифференциального манометра. Часто используется для измерения уровня в емкостях под избыточным давлением.
Акустический уровнемер – уровнемер, основанный на зависимости интенсивности поглощения или времени распространения акустических колебаний от высоты уровня жидкости или сыпучего вещества
Ультразвуковой уровнемер – акустический уровнемер, работающий на звуковых колебаниях высокой частоты
Емкостной уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.
В связи с этим по мере погружения электродов датчика уровнемера в жидкость изменяется емкость между ними пропорционально уровню жидкости в резервуаре.
Остановимся на некоторых типах уровнемеров подробней.
Уровнемеры буйковые
Настройка уровнемеров на заданные пределы измерения проводится с помощью грузов путем имитации гидростатической выталкивающей силы, соответствующей верхнему пределу измерений.
Расчетное значение давления, соответствующее верхнему пределу измерений,
Расчет массы грузов для буйковых уровнемеров:
для жидкости
для раздела фаз
где d – диаметр буйка испытываемого уровнемера, см; Hmax – верхний предел измерения уровня жидкости, см; ρж – плотность измеряемой жидкости, г/см3; ρ н.ж, ρ в.ж – плотности соответственно нижней и верхней измеряемой жидкости в случае измерения уровня раздела фаз, г/см3.
Пьезометрические уровнемеры.
В пьезометрических системах измерения уровня для продувания через трубку помещенную в жидкость, дозированного расхода воздуха. Принцип действия этого регулятора основан на автоматическом поддержании постоянного перепада давления на дросселе, в результате чего обеспечивается постоянный расход воздуха через этот дроссель.
Принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня в открытом резервуаре представлена на рисунке 2, а, б, в, г.
На рисунке 2, д показана принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением. Для исключения влияния давления в резервуаре на показания прибора, измеряющего уровень жидкости, применяется дифференциальный метод измерения с двумя регуляторами расхода. От одного регулятора расхода воздух подается в пьезометрическую трубку, от другого в верхнюю часть резервуара над жидкостью. Разность давлений в трубках, пропорциональная уровню жидкости, измеряется дифманометром.
В системах измерения нижний конец пьезотрубки должен находится на нижнем контролируемом уровне жидкости, но не ниже 80 мм от дна резервуара.
Расход воздуха устанавливается минимальным, чтобы перепад давления на пьезотрубке был возможно меньшим, так как это определяет погрешность измерения пьезометрическим методом.
Минимальный расход воздуха обеспечивается постоянным, без запаздывания, выходом воздуха из пьезометрической трубки при изменениях уровня. Обычно расход воздуха принимается равным 0,1 – 0,2 м3/ч.
Если пренебречь перепадом давления на пьезометрической трубке, то уровень в резервуаре
где Р – давление на манометре М или перепад давления на дифманометре; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
В случае, когда измеряется уровень в резервуаре, находящемся под избыточным давлением, давление питания регулятора расхода воздуха, подающего воздух в пьезотрубку, должно быть:
где Ризб – избыточное давление, кПа; Нмаксρg – максимальное гидростатическое давление столба жидкости, кПа.
Рисунок 2. Обвязка пьезометрических уровнемеров.
На рисунке 2, е показан пример обвязки и монтажа пьезометрического уровнемера с подачей промывочной воды в защитную трубу. В этом случае защищается от «обрастания» нижний конец пьезотрубки, который оказывается в зоне промывочной воды и не контактирует с измеряемой жидкостью.
Гидростатические датчики уровня.
Схемы обвязки и работы гидростатических датчиков уровня представлены на рисунке 3, причем правая обвязка применяется при измерении уровня жидкости в емкости, находящейся под избыточным давлением.
Рисунок 3. Обвязка гидростатических уровнемеров.
В этом случае импульсная трубка, идущая к минусовой полости чувствительного элемента, прокладывается от места отбора давления с уклоном в верх, а в нижней части устанавливаются отстойный сосуд и разделитель мембранный РМ.
Рисунок 4. Измерение уровня в котле (100% – 4 мА/0,2 кгс/см2, 0% – 20 мА/1 кгс/см2)
Очень хорошо себя показал данный принцип измерения уровня на очень сложной позиции при измерении уровня воды в котле (рисунок 4). Обвязка при этом не классическая, а на оборот т.е. на плюсовой отбор подается отбор с верней точки котла (импульсная трубка при этом должна быть заполнена водой), на минус с нижней, и задается обратная шкала прибора (на самом приборе или вторичном оборудовании).
Источник