Прибор измерения уровня в сосудах

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.

Читайте также: Бездонный сосуд квест пв

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.

Измерение уровня в котле

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

Методы измерения уровня

Уровнемер является прибором, предназначенным для непрерывного измерения в промышленном масштабе уровней жидких и сыпучих продуктов находящихся в различных емкостях, резервуарах, технологических хранилищах и аппаратах. Также широко применяемое название уровнемеров это датчики уровня или преобразователи уровня. Использование уровнемеров позволяет автоматизировать технологические процессы на производстве. Автоматизация всегда позволяет снизить влияние от так называемого человеческого фактора, это с одной стороны повышает качество выпускаемой продукции и оптимизация по расходу используемого сырья.

Уровнемеры делятся на группы по используемому ими режиму работы:

Непрерывный режим работы датчика (указатели уровня, преобразователи уровня, уровнемеры)Точечный (дискретный) режим работы датчика (датчики предельного уровня, сигнализаторы уровня, переключатели уровня, датчики реле уровня)

Уровнемеры можно разделить по типу измеряемого продукта:

приборы для измерения уровня жидких продуктов (водные растворы, пульпы, суспензии, уровень нефтепродуктов, технических масел);
приборы по измерению уровня сыпучих продуктов (порошко образные продукты, гранулы и подобные продукты)

Уровнемеры делятся по используемому принципу действия:

Уровнемеры для измерения уровня жидкости делятся на следующие типы:

механического типа;
гидростатического типа;
электрического (емкостного) типа;
акустического типа;
радарного типа;
рефлексного микроволнового (волноводного) типа;

При измерении уровня жидких продуктов вы можете столкнуться со следующими сложностями:

наличие широкого температурного перепада и давления в емкости с продуктом;
наличие широкого разброса по химическим свойствам измеряемого продукта, в следствии чего необходим индивидуальный подбор уровнемера к измеряемой жидкости;
работа по измерению уровня высоко агрессивных и ядовитых веществ;
из-за химической агрессивности измеряемых сред возможно возникновение коррозии контактирующих с продуктом измерения частей уровнемера;
образование налипания продукта на части уровнемера, контактирующие со средой;
наличие широкого диапазона значений плотности измеряемого продукта (причем в одном и том же процессе измерения);
наличие модификации уровнемера во взрывозащищенном исполнении (особенно это актуально для измерения уровня нефтепродуктов);
наличие на поверхности измеряемого продукта плотных слоев пены и присутствующего в процессе бурления жидкости;
для коммерческого учета необходима сверх высокая точность измерения уровня;
отсутствие возможности по проникновению в части уровнемера насыщенных паров продукта с их последующим конденсированием;
необходимость в исполнении уровнемеров в гигиеническом исполнении для соблюдения санитарных норм для измерения уровня пищевых продуктов и питьевой воды;
измерение уровня жидкостей с разной плотностью, находящихся в одной емкости (общего уровня или уровня раздела сред).

Уровнемеры механического принципа действия можно разделить:

на уровнемеры поплавкового типа действия, имеющих в качестве чувствительного элемента поплавок, который плавает на поверхности жидкости;
буйкового принципа действия, работа которого основана на измерении силы, с которой буек выталкивается на поверхность;
вибрационного принципа действия.

Вызванное изменением уровнем жидкости перемещение поплавка (буйка) отслеживается либо через жесткую механическую связь, либо с использованием дистанционной связи (электрического или пневматического типа) и далее сообщается с измерительной системой самого прибора. При измерении уровня приборами гидростатического типа используется метод уравновешивания давления от измеряемого столба жидкости реакцией пружины механического индикатора или силой от мембраны пьезоэлемента в электрическом датчике. Использование уровнемеров вибрационного типа является наилучшем выбором для изменения уровня высоко липких сред.

Уровнемер магнитострикционного принципа работы серии NivoTRACK

Магнитострикционный уровнемер NivoTRACK

Сигнализатор уровня магнитного принципа работы серии NivoPOINT

Сигнализатор уровня NivoPOINT

Сигнализатор уровня поплавкового принципа работы серии NivoFLOAT

Сигнализатор уровня NivoFLOAT

Сигнализатор уровня магнитного принципа работы серии NivoMAG

Сигнализатор уровня NivoMAG

Сигнализатор уровня вибрационного принципа работы серии NivoSWITCH

Сигнализатор уровня NivoSWITCH

Уровнемеры гидростатического типа по принципу работы являются наиболее близким родственником датчиком избыточного давления. По конструкции это наиболее простые и дешевые датчики для измерения уровня, но по принципу действия имеют ряд ограничений: постоянная плотности продукта и температуры, измерение только выше места установки прибора. Непосредственный контакт с продуктом также накладывает ряд ограничений из-за материала мембраны и химического состава продукта. Модификация датчиков имеет в своем составе погружные зонды разработанные специально для измерения уровня в скважинах маленького диаметра. Мембрана и электроника датчика расположена в тонком металлическом цилиндре с герметичным выходным кабелем, который является несущим для подвешивания прибора в скважине и съема информации.

Уровнемер гидростатического принципа работы серии NivoPRESS N (скважинный погружной зонд)

Уровнемер NivoPRESS N

Уровнемер гидростатического принципа работы серии NivoPRESS D (монтаж в стену емкости)

Уровнемер NivoPRESS D

Уровнемеры электрического принципа обычно делятся на следующие типы:

емкостного типа действия;
кондуктометрического типа действия

В уровнемерах ёмкостного типа в качестве чувствительного элемента используется опорный зонд, создающий с токопроводящей стенкой емкости своеобразный конденсатор. Емкость этого конденсатора изменяется строго пропорционально измеряемому уровню продукта. Измеряя электроникой эту емкость на выходе пропорционально измеренному значению формируется выходной сигнал. Действия датчика уровня кондуктометрического принципа действия основывается на изменении сопротивления между двумя электродами, которые помещаются в продукт измерения (в качестве одного из электродов может быть токопроводящая стенка емкости или резервуара).

Уровнемер емкостного принципа работы серии NivoCAP

Уровнемер NivoCAP

Датчик уровня кондуктивного принципа работы серии NivoCONT K

Сигнализатор уровня NivoCONT K

Емкостной сигнализатор уровня NivoCAP CK

Cигнализатор уровня NivoCAP CK

В уровнемерах акустического типа (ультразвуковых) используется принцип отражения генерируемых уровнемером ультразвуковых колебаний от поверхности раздела между жидкостью и газовой средой. Модификации акустических уровнемеров имеют исполнения накладных датчиков предельного уровня. Эти датчики устанавливаются на наружные поверхности емкости и определяют заполнение емкости измеряемым продуктом до места размещения датчика (пустой/полный). В настоящее время все большее распространение получают уровнемеры, которые работают на сверх низких частотах (ниже 20 кГц). Но из-за их большей стоимости они пока не получили столь широкого распространения, как используемые с большей частотой. Уровенемеры акустического типа наиболее простые и дешевые в сравнении с другими бесконтактными уровнемерами.

Уровнемер ультразвукового типа серии EasyTREK для жидкостей

Уровнемер EasyTREK

Уровнемер ультразвукового типа серии EasyTREK для сыпучих материалов

Уровнемер EasyTREK

Уровнемеры радарного типа, аналогично уровнемерам акустического типа используют в своей работе явление отражения от поверхности измеряемого продукта электромагнитных колебаний. Так же как и акустические уровнемеры радарные датчики это бесконтактные уровнемеры не имеющие непосредственного контакта с измеряемым продуктом. Это свойство позволяет использовать данный тип уровнемера с высоко агрессивными продуктами и более тяжелые условия работы (наличие в емкости высокого избыточного давления, высоких температур, наличие плотного пара и различных газов над измеряемой поверхностью продукта). В отличии от ультразвуковых уровнемеров, использование радарных уровнемеров позволяют обеспечивать более высокую точность измеренных значений уровня, имеют более низкую зону не чувствительности, и обеспечить работоспособность при высоких температурах и давлениях.

Радарный уровнемер серии PiloTREK

Уровнемер PiloTREK

Уровнемеры рефлексного (волноводного) типа работают по аналогичному, бесконтактным радарным, типу, но сигнал распространяется не по воздуху (газовой среде) а по рабочему зонду волноводу (который может быть тросом, группой из 2-х тросов, жесткой направляющей группой стержней или зонда коаксиального типа (труба в трубе). Особенностью рефлексных уровнемеров является возможность их работы в очень жестких условиях:

максимальная температура продукта измерения не более 200°С;
максимальное давление в емкости с продуктом не более 40 бар;
наличие в емкости сильного бурления в продукте; например в резервуарах с работающими мешалками;
наличие насыщенных паров и плотных газов над поверхностью измеряемой жидкости.

Рефлексный микроволновый уровнемер MicroTREK

Уровнемер MicroTREK

Уровнемеры для измерения уровня сыпучих продуктов обычно можно разделить на:

механического типа;
электрического типа;
акустического типа;
бесконтактного радарного типа;
контактного рефлесного (волноводного) типа;
радиационного типа.

Принимаемые во внимание особенности при измерения уровня сыпучих продуктов:

большие по размерам емкости, бункера и силоса;
измерение уровня происходит с меньшей точностью, ежели при измерении уровня жидкости;
более сложная по форме поверхность измеряемого продукта (наличие горки, воронки, большие по размерам части продукта);
наличие большая отрывной или изгибающей нагрузки при измерении уровня контактными датчиками;
наличие на поверхности уровнемера оседающей на нем пыли и частиц не большого размера.

Уровнемеры механического типа делятся на:

ротационного (лепесткового) типа;
вибрационного типа.

Принцип работы датчика наиболее простой: измеряемый продукт контактирует с чувствительным элементом датчика и вызывает срабатывание электронной схемы прибора, что вызывает срабатывание релейного выхода.

Ротационный сигнализатор уровня серии NivoROTA

Сигнализатор уровня NivoROTA

Вибрационный сигнализатор уровня серии NivoCONT R

Сигнализатор уровня NivoCONT R

Существует большое разнообразие уровнемеров, некоторые из которых были описаны выше, и объясняется это многообразием задач измерения уровня продукта: продукты различного типа, условия различного типа, различная точность по измерению уровня, различная степень надежности и стоимости. Необходимо знать что в настоящее время универсального уровнемера не существует. Существует большое разнообразие модификаций датчиков и опций, позволяющих подобрать оптимальное решение для измерения уровня продукта.

Источник