Измерение уровня воды с использованием уравнительного сосуда

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 info@td-urovnemer.ru.

Средства измерения уровня жидкости среды называют уровнемерами. Уровнемеры нашли применение для измерения уровня воды в котельных агрегатах.

Существуют следующие методы измерения уровня жидкости: поплавковый, манометрический, емкостный, ультраакустический, радиационный, радиочастотный.

Поплавковый метод измерения уровня жидкости

На рис. 2.28, а представлена конструкция механического уровнемера с поплавком /, плавающим на поверхности жидкости 4. Положение поплавка и, следовательно, связанного с ним

Рис. 2.28. Поплавковые методы измерения уровня жидкости: а — конструкция поплавкового уровнемера: 1 — поплавок;

• 2 — уравновешивающий груз; 3 — шкала; 4 — жидкость; б — конструкция уровнемера с тонущим поплавком-буйком:
• 1 — пружина; 2 — рычаг; 3 — шкала; 4 — стрелка; 5 — ось;
• 6 — поплавок-буек; в — схема поплавкового электрического уровнемера: х — уровень жидкости; ЯГ..Я4 — сопротивление плеч моста;

Ях — сопротивление преобразователя; Ям и Rk2 — сопротивление логометра уравновешивающего груза 2 относительно шкалы 3 определяет уровень жидкости.

Чаще применяются тонущие поплавки-буйки, частично погруженные в жидкость (рис. 2.28, б), поплавок-буек 6 подвешен на рычаге 2и пружине 1. При изменении уровня жидкости изменяется степень погружения и, следовательно, растягивающее усилие пружины 1 под действием массы буйка. Перемещение буйка через рычаг 2 передается на ось 5, на которой установлена стрелка 4, показывающая по шкале 3 уровень жидкости.

На рис. 2.28, в приведена схема поплавкового электрического уровнемера. Определенный уровень жидкости X с помощью поплавка и потенциометра преобразователя Rx, измерительного моста Rv..R4 фиксируется на магнитоэлектрическом логометре, сопротивление которого Rkl и RkT Преобразователь уровнемера включается в матовую схему таким образом, что одновременно изменяются два соседних плеча моста.

При использовании манометрического метода измерения уровня определяется давлением столба жидкости в резервуаре. Для измерения уровня жидкости в барабанах котлов, котлах-утилизаторах применяются мембранные дифманометры, отградуированных в единицах уровня.

На рис. 2.29 показана схема манометрического уровнемера с применением электрической схемы преобразования сигнала. Жесткий центр манометра через шар соединен с тензорезистором Rx, включаемым в плечо моста. При изменении уровня жидкости X меняется тензосопротивление, что приводит к разбалансу моста. Сигнал рассогласования, снимаемый с моста, усиливается в усилителе У и подается на двигатель Д. Последний уравновешивает мост и через редуктор перемещает стрелку показывающего или сигнализирующего устройства.

Изменение уровня жидкости играет важную роль при автоматизации процессов в системах газоснабжения. Эти измерения особенно важны, когда поддержание некоторого постоянного уровня, например уровня воды в барабане котла, уровня жидкости в резервуаре, связано с условиями безопасной работы оборудования.

Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельные уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня.

Нормальная эксплуатация барабанных котлов может осуществляться только при условии строгого поддержания уровня воды в барабане в допустимых пределах.

Рис. 2.29. Схема манометрического уровнемера: Я0…R3 — сопротивление плеч моста;

Д — двигатель; У — усилитель; R — тензорезистор

На рис. 2.30 показана схема измерения уровня воды в барабане котла дифманометром с использованием стандартного двухкамерного уравнительного сосуда. В широкой части сосуда /, присоединенного к паровому пространству барабана, уровень воды (конденсата) поддерживается постоянным. В трубке 2, присоединенной к водяному пространству барабана, уровень воды меняется при изменении уровня воды в барабане. При установке запорного клапана на трубке, соединяющей паровое пространство барабана с уравнительным сосудом, необходимо, чтобы шпиндель его находился в горизонтальном положении.

Разность давлений (Па), создаваемая двухкамерным уравнительным сосудом, которую измеряет дифманометр 3, определяется выражением

где Н и h — разность столба воды в сосуде и трубе соответственно, м;

р’ и р” — плотность воды и пара в состоянии насыщения при давлении Р, кгс/м3;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

Эксплуатация газонаполнительных станций вызывает необходимость в измерении уровня сжиженного газа, находящегося в резервуарах хранения. Для этого применяются различные устройства, в частности, указатели уровня следующих типов: с постоянными трубками; с мерным стеклом; с поворотной или скользящей трубкой; поплавковые; магнитные; электронные; радиоактивные.

Рис. 2.30. Схема измерения уровня воды в барабане дифференциальным манометром с использованием двухкамерного уравнительного сосуда:

• 1 — двухкамерный уравнительный сосуд; 2 — трубка;
• 3 — дифференциальный манометр; Н — разность столба воды в сосуде; h — разность столба воды в трубке; h — уровень воды в барабане котла

В настоящее время широко используются указатели уровня с постоянными трубками. Данный указатель (рис. 2.31) состоит из трех трубок различной длины, которые привариваются к существующему стальному фланцу и опускаются внутрь резервуара на различную глубину.

Сверху на выступающие концы трубок приварены стальные штуцеры с внутренней резьбой, в которые ввертываются запорные угловые вентили. Контрольные трубки свободным концом опущены в резервуар на различную глубину и оканчиваются на уровнях, соответствующих заполнению резервуара на 10, 30 и 60%. Для проверки уровня 90%-ного заполнения имеется трубка Dy = 32 мм, служащая для соединения паровых фаз. При открытии запорных вентилей определяют примерный уровень заполнения резервуара сжиженным газом.

Рис. 2.31. Указатель уровня с постоянными трубками: 1 — трубка; 2 — фланец; 3 — штуцер; 4 — прокладка; 5 — запорный угловой клапан; 6 — сбросной штуцер

Указатель уровня (рис. 2.32) выполнен в виде вертикальной колонки из трубы, присоединенной концами к резервуару. Наблюдение за уровнем ведется через ряд последовательно установленных стеклянных трубок. С обеих сторон трубы установлены запорные вентили с автоматическим шариковым затвором, отключающие указатель от резервуара в случае поломки одной из трубок. На верхнем горизонтальном участке трубы до запорного вентиля установлен манометр с разделительной мембраной под фланцем, защищающий манометр от коррозии.

На горизонтальных резервуарах диаметром до 2 м применяются указатели уровня с поворотной трубкой (рис. 2.33). Указатель состоит из изогнутой трубки 4, которую при помощи стрелки-указателя 2 можно повернуть в любое положение поворотом в пределах 180°. Стрелка 2 указывает на шкале 3 количество жидкости в процентах от общего объема резервуара. Уровень определяется вращением стрелки указателя при открытом вентиле-заглушке 1 с резиновым уплотнителем и отверстием в сальнике 5до тех пор, пока из отверстия

Рис. 2.32. Указатель уровня для горизонтальных надземных резервуаров: 1 — труба; 2 — запорный вентиль с автоматическим шариковым затвором; 3 — фланцевое соединение; 4 — вентиль; 5 — манометр; 6 — резервуар; 7 — стеклянные трубки; 8 — рейка; 9 — подвижный визир

не появится или, наоборот, не перестанет выходить (если он шел) белый туман.

Поплавковый указатель уровня позволяет вести постоянный контроль за уровнем сжиженного газа в подземных резервуарах.

На рис. 2.34 показан аналогичный по принципу работы поплавковый указатель для измерения уровня сжиженного газа в резервуарах автоцистерн. Указатель уровня представляет собой прибор бессальникового типа, состоит из корпуса 6, поплавкового устройства 2, магнита-датчика 3, магнита-приемника 4 со стрелкой 5, шкалы 1.

Рис. 2.33. Уровнемер с поворотной трубкой:

1 — вентиль-заглушка; 2 — стрелка-указатель; 3 — шкала; 4 — поворотная трубка; 5 — сальник

Рис. 2.34. Поплавковый указатель уровня для автоцистерн: 1 — шкала; 2 — поплавковое устройство; 3 — магнит-датчик; 4 — магнит-приемник; 5 — стрелка; 6 — корпус

Указатель уровня является средством визуального контроля за производством сливно-наливных операций. При наливе газа в автоцистерну или сливе поплавковое устройство указателя уровня поворачивает шток с магнитом-датчиком. Магнитное поле магнита- датчика взаимодействует через стенку корпуса с магнитным полем магнита-приемника, который поворачивается вместе со стрелкой, показывающей по шкале объем газа в автоцистерне в кубометрах.