Методы непрерывного измерения уровня. Физический принцип

Рис. 7. Принцип реализации ультразвукового метода определения уровня

 

h = h_tot – 1/2v_st

Здесь v_s— скорость распространения ультразвукового сигнала в данной среде.

Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный УЗКметодом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения (табл. 6).

Таблица 6. Зависимость  скорости распространения ультразвуковых колебаний в воздухе от Температуры

Температура, °C	20	0	20	40	60	80
Скорость, м/c	319,3	331,6	343,8	335,3	366,5	337,5

 

Кроме того, будучи сильно зависимой  от температуры, скорость ультразвука  зависит от давления воздуха: она  увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные  изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Скорость ультразвука  также зависит от состава воздуха, например, от процентного содержания CO₂ и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2% .

Основные  достоинства УЗК метода:

+ бесконтактный;

+ применим для загрязнённых  жидкостей;

+ реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;

+ независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

– большое расхождение  конуса излучения;

– отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут вызвать ошибки измерения;

– применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

– на сигнал оказывают влияние  пыль, пар, газовые смеси и пена.

 

Датчики Pulscon, реализующие  метод направленного электромагнитного  излучения

Датчики недавно предложенной серии Pulscon работают на основе измерения  коэффициента отражения методом  совмещения прямого и отражённого  испытательных сигналов (time domain reflectometry) и определения времени прохождения излученного импульса до поверхности контролируемой среды (временного сдвига отражённого сигнала — рис. 11).

Рис. 11. Принципы измерения методом направленного                                                                               

электромагнитного излучения                  

 

 

Модификации Pulscon

со стержневым зондом

и коаксиальным тросом

 

Повторяющиеся импульсы наносекундного диапазона длительностей излучаются с интервалом 1 мкс. Принцип измерения напоминает ультразвуковой метод определения уровня. Только в системе с направленным электромагнитным излучением импульсы распространяются не равномерно в пределах границ диаграммы направленности, а локализованы вдоль стержня или троса датчика, играющего роль волновода. Данный метод базируется на новейших технологиях и дополняет собой список контактных методов измерения. Из- за чрезвычайно низкой мощности и направленности излучения импульсов микро волны не рассеиваются в пространстве, поэтому применение этих устройств не требует согласований с комитетами по радиочастотам. Благодаря низкому энергопотреблению достаточно двухпроводной системы подключения микроволнового датчика с питанием через информационный канал. В силу этой же причины датчики являются взрывобезопасными, что позволяет устанавливать их во взрывоопасных зонах вплоть до зон класса 0.

Для обеспечения электромагнитной совместимости микроволновых датчиков предложен специальный метод  со скачкообразной перестройкой частоты (frequency hopping method), который позволяет  обнаруживать электромагнитные помехи и маскировать их в динамическом режиме. Реализуемый в режиме меню пользовательский интерфейс с простым  управлением кнопками и поддерживаемая ПК процедура

задания параметров через HART протокол являются стандартными для датчиков этого типа. При этом можно установить такие функции, как маскирование помех или запоминание характеристик для линеаризации резервуара. Измерительный блок можно предустановить, используя «сухую» калибровку, реализуемую по технологии plug -and -play несколькими нажатиями кнопок. Результаты много летней исследовательской работы и многочисленных экспериментов на базе метода time-domain reflectometry по идентификации отражённого сигнала с целью определения положения контролируемого уровня легли в основу программного обеспечения PulseMaster. Технические характеристики датчиков LTC серии Pulscon представлены в табл. 9.

Основные  достоинства метода направленного электромагнитного

излучения:

+ управление микроволновыми  датчиками посредством меню и их калибровка на этапе изготовления обеспечивают простой ввод в эксплуатацию;

+ надёжное измерение порошкообразных  материалов даже в процессе  наполнения ёмкости;

+ измерение уровня жидкостей  при образовании пены в условиях  повышения давления;

+ надёжное и точное  измерение в обводных и расширительных  трубах;

+ возможность эффективного  устранения помех отражения от  арматуры

(балок, укосин и др.) и структурных элементов стенок (например гофрированных листов), резервуаров или узких силосных бункеров;

+ независимость метода  от

• вида материала (жидкий/сыпучий),
• плотности,
• значения диэлектрической постоянной,
• химической агрессивности среды,
• проводимости,
• изменения свойств материала, вызванных процессом комкования;

+ абсолютная независимость  метода от влияний таких факторов  технологического процесса, как  давление,

• температура,
• наличие подвижных поверхностей,
• пена/туман/пыль.

Недостатки:

• клейкие вещества могут вызвать отказы;
• диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6.

Магнитные погружныезонды серии LMC для непрерывного  измерения уровня

Основные принципы методов  непрерывного измерения уровня, основанных на использовании магнитных погружных зондов, рассмотрим на примере работы иммерсионного зонда LMC8S3-G6S-I-Ex (рис. 12).

Рис. 12. Внешний  вид магнитного погружного зонда для непрерывного

измерения уровня LMC8S3-G6S-I-Ex

Постоянный магнит, смонтированный на поплавке зонда, вызывает срабатывание герметизированных магнитоуправляемых контактов, установленных на направляющей трубе. При срабатывании эти контакты

включаются между последовательно  включёнными резисторами внутри направляющей трубы; таким образом при перемещениях поплавка общее значение сопротивления изменяется квазинепрерывно, в зависимости от

разрешающей способности  зонда. Точность измерения не зависит  от электрических свойств среды, а так же от давления, температуры  и плотности. Поставляются модификации  зонда  в корпусах из пластика или  нержавеющей стали, во взрывозащищённом  исполнении (маркировка взрывозащиты EEx ia IIC T6), с шаровидными или цилиндрическими  поплавками. Максимальная длина направляющей трубы достигает 3 м. Выход устройства — 2-проводной токовый (4…20 мА) или 3-проводной для подключения к потенциометру (40 кОм). При установке зонда используется резьбовое соединение G 11/2 ” или G 2” A (рис. 13).

Рис. 13. Установочные размеры магнитного погружного зонда

В месте резьбового соединения используются такие материалы, как  нержавеющая сталь или полипропилен, или поливинилиденфторид (чрезвычайно устойчив к воздействию масел, смазок, кислот, щелочей и растворителей).

 

Общие технические  данные магнитных погружных зондов

Разрешающая способность: от 8 мм (12 мм, 16 мм). Допустимая температура  контролируемой жидкости: –20…+120°С. Рабочее  давление: до 3 бар (пластиковая модификация), до 16 бар (модификация из нержавеющей  стали).  Плотность измеряемого  вещества: не менее 0,6 г/cм³.

Основные  достоинства:

+ простой принцип действия;

+ несложный монтаж;

+ не нуждаются в сколь-ни  будь значительном техническом  обслуживании;

+ не требуется регулировка вместе установки.

Недостатки:

– подъёмная сила зависит  от размера поплавка;

– фактическое положение уровня, соответствующее точке срабатывания, разное для веществ с различной плотностью;

– максимальная длина направляющей трубы не более 3 м;

– минимальная плотность  измеряемой среды равна 0,6 г/cм3;

– можно использовать только в очищенных жидкостях.

Раздел 2. Реальные устройства и их применение

2.1 Продукция фирмы Pepperl+Fuchs GmbH.

Рассмотрим гидростатические средства контроля уровня на примере  изделий фирмы Pepperl+Fuchs, которая в  настоящее время предлагает измерительные  зонды серии LGC и ряд датчиков гидростатического давления под  общей торговой маркой Barcon. (PPCM20, LHCM20, PPCM10,LHCM40).

Гидростатические  зонды для измерения уровня LGC

 Зонды уровня серии LGC (рис. 1) являются датчиками гидростатического  давления для измерения уровня  пресной воды, питьевой воды и  сточных вод.

       

 

 

Рис. 1. Гидростатические зонды серии LGC

Модели со встроенным термопреобразователем  сопротивления из платиновой проволоки Pt100 одновременно определяют температуру  в месте установки датчика. Соответствующий  преобразователь (поставляется отдельно по заказу) трансформирует сигнал термопреобразователя сопротивления в унифицированный  токовый сигнал 4…20 мА. Керамический измерительный элемент зонда  является «сухим», то есть давление воздействует непосредственно на прочную керамическую диафрагму датчика и вызывает её перемещение максимум на 0,005 мм. Влияние  атмосферного давления, действующего на поверхность жидкости, устраняется  посредством его приложения через  специальную трубку для компенсации  давления к задней стороне керамической диафрагмы (рис. 2).

Условные обозначения: h — высота уровня жидкости; p — общее давление (гидростатическое + атмосферное);— плотность измеряемой среды; g — ускорение свободного падения;                p_hydr — гидростатическое давление; p_atm —атмосферное давление.

Рис. 2. Физические принципы функционирования гидростатической измерительной системы

 Изменения ёмкости, вызванные перемещением диафрагмы под действием давления, выявляет керамический измерительный элемент. Электронная часть датчика преобразовывает их в сигналы, пропорциональные текущим значениям давления, которое связано линейной зависимостью с величиной уровня измеряемой среды. На рис. 3

Рис. 3. Пример установки гидростатического зонда уровня

Датчики гидростатического  давления Barcon

Представлен пример монтажа гидростатического зонда уровня серии LGC. Необходимо отметить следующие моменты: боковое перемещение кабеля зонда может вызвать ошибки измерения, поэтому зонд необходимо устанавливать в месте, где отсутствуют движение жидкости и турбулентные потоки, или применять направляющую трубу с внутренним диаметром более 23 мм; конец кабеля должен размещаться в сухом помещении или соответствующей распределительной оболочке; защитный колпачок предназначен для предупреждения механических повреждений измерительного эле мента. Основные технические характеристики зондов уровня серии LGC представлены в табл. 3.

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. Технические  характеристики зондов LGC и Pt100

 

Входные параметры
Измеряемые параметры	Гидростатическое давление жидкости Pt100: температура жидкости
Измеряемый диапазон	Девять фиксированных измерительных диапазонов давления в единицах psi (фунт-сила на квадратный дюйм), ft H2O, бар и m H2O (метр водяного столба) Измерительные диапазоны по спецификациям заказчика в пределах 1,5…300 psi (0,1…20 бар); диапазоны, калиброванные при изготовлении, и специальные диапазоны измерения — по заказу Pt100 (по заказу): измерение температуры в диапазоне от –10 до +70°С
Входной сигнал	Изменение ёмкости керамического измерительного элемента Изменение электрического сопротивления платиновой проволоки Pt100 (по заказу)
Выходные параметры
Выходной сигнал	4…20 мА для измеренного значения гидростатического давления (двух проводной выход) Pt100 (по заказу): зависящее от температуры электрическое сопротивление платиновой проволоки
Эксплуатационные  характеристики
Точность	Нелинейность (включая гистерезис и повторяемость): ±0,2% от полного диапазона измерения Pt100: макс. ±0,7 K
Долговременная нестабильность	0,1% от полного диапазона измерений за год
Влияние температуры среды	Температурное изменение нулевого сигнала и границ диапазона входного сигнала при типовом температурном диапазоне среды 0…+30°С: ±0,4% диапазона Температурное изменение нулевого сигнала и границ диапазона выходного сигнала при полном температурном диапазоне среды    –10…+70°С: ±1% диапазона Максимальное значение температурного коэффициента для нулевого сигнала и границ диапазона выходного сигнала: ±0,15% диапазона/10 K (0,3% диапазона/10 K)
Время разогрева датчика	20 мс
Время нарастания сигнала  до уровня 90%	80 мс Pt100: 160 c
Время установления сигнала	150 мс Pt100: 300 c
Условия окружающей среды
Диапазон рабочих температур	–10…+70°С (соответствует  диапазону допустимых температур контролируемой среды)
Диапазон температур хранения	–40…+80°С
Степень защиты оболочки	IP68 (постоянно герметично  закрытая оболочка); по заказу поставляется распределительная  коробка со степенью защиты IP66/IP67
Сертификаты
Сертификаты соответствия	ATEX II 2G/EEx ia IIC T6 ATEX II 3 G/EEx nA IIC T6 FM: IS, Class I, Division 1, Groups A D CSA: IS, Class I, Division 1, Groups A D CG — общее применение