Приборы для измерения уровня

1

Приборы для измерения уровня

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой

— жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим

параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы

технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным

процессом.

Путем измерения  уровня можно получать информацию о  массе жидкости в

резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных

операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах

длины. Средства измерений уровня называют уровнемерами.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды;

измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных

значений уровня рабочей среды— сигнализаторы уровня.

По диапазону  измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов.

Уровнемеры  широкого диапазона (с пределами измерений 0.5—20 м) предназначены для

проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона [пределы измерений

(0¸ｱ100) мм или (0¸ｱ450) мм] обычно используются в системах автоматического

регулирования.

В настоящее  время операция измерения уровня является ключевой для

организации контроля и управления технологическими процессами в во многих отраслях

промышленности. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или

уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только

сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других

необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.

Существует  широкая номенклатура средств контроля и измерения уровня,

использующих различные физические методы: ёмкостный, электроконтактный,

гидростатического давления, поплавковый, ультразвуковой, радиоволновый. Эти методы

и средства позволяют контролировать уровень различных сред: жидких (чистых,

загрязнённых), пульп, нефтепродуктов, сыпучих твёрдых различной дисперсности. При

выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства

контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая

проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, следует принимать во

внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание,

охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический),

наличие мешалки, огнеопасность, взрывоопасность и другие.

Современные системы автоматизации производства требуют статистических и

информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки,

оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность

использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к

необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств,

обеспечивающих непрерывное измерение.

В настоящее  время измерение уровня во многих отраслях промышленности

осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых

распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические,

ультразвуковые и радиоизотопные. Применяются и визуальные средства измерений.

Визуальные  средства измерений уровня

К визуальным средствам измерений уровня относятся  мерные линейки, рейки,

рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла.

В производственной практике широкое применение получили уровнемерные

стекла. Измерение уровня с помощью уровнемерных стекол (рис. 1, а) основано на законе

2

сообщающихся сосудов. Указательное стекло 1 с

помощью арматуры соединяют с нижней и верхней

частями емкости. Наблюдая за положением мениска

жидкости в трубке 1, судят о положении уровня жидкости

в емкости. Для исключения дополнительной погрешности,

обусловленной различием температуры жидкости в

резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением

осуществляют промывку уровнемерных стекол. Для этого

предусмотрен вентиль 2. Арматура уровнемерных стекол

оснащается предохранительными клапанами,

обеспечивающими автоматическое перекрывание каналов, связывающих указательное

стекло с технологическим аппаратом при случайной поломке стекла. Из-за низкой

механической прочности уровнемерные стекла обычно выполняют длиной не более 0,5 м.

Поэтому для  измерения уровня в резервуарах (рис. 1,б) устанавливается несколько

уровнемерных стекол с тем расчетом, чтобы они перекрывали друг друга. Абсолютная

погрешность измерения уровня уровнемерными стеклами ｱ (1—2) мм. При измерении

возможны дополнительные погрешности, связанные с влиянием температуры

окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются до давлений 2,94 МПа и до

температуры 300ｰС.

Поплавковые средства измерений уровня

Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые  являются

наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и

широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рис. 2) обычно

представляют собой устройства, содержащие

шарообразный поплавок диаметром 80—100 мм,

выполненный из нержавеющей стали. Поплавок

плавает на поверхности жидкости и через штангу и

специальное сальниковое уплотнение соединяется

либо со стрелкой измерительного прибора, либо с

преобразователем 1 угловых перемещений в

унифицированный электрический или

пневматический сигналы. Уровнемеры узкого

диапазона выпускаются двух типов: фланцевые (рис.

2, а) камерные (рис. 2,б), отличающиеся способом их

установки на технологических аппаратах.

Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров—10-0-10 мм, максимальный —200-

0-200 мм. Класс  точности 1,5. Поплавковые уровнемеры широкого диапазона Рис. 2, в)

представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней

части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня

жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие

конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия

системы ｫпоплавок — противовесｻ только при определенной глубине погружения

поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние

равновесия системы ｫпоплавок— противовесｻ описывается уравнением

GГ = GП + Sh1rжg , (1)

где GГ , GП — силы тяжести противовеса и поплавка;

S— площадь поплавка;

h1— глубина погружения поплавка;

rж— плотность жидкости.

Рис. 1. Уровнемерные стекла

Рис. 2. Схемы поплавковых уровнемеров

3

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него

действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство (1) нарушается тrенни„

противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет

равной h1 . При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила

уменьшается и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения

поплавка не станет равной h1 . Для передачи информации о значении уровня жидкости в

резервуаре применяют сельсинные системы передачи. Обычно ось сельсина-датчика

кинематически связана с барабаном, вращение которого осуществляется в процессе

перемещения троса, а ось сельсина-приемника— со счетным механизмом.

Поплавковые выключатели

Поплавковые выключатели используются для

сигнализирования о предельных значениях уровня жидкостей.

Они обладают необходимой плавучестью, позволяющей  им в

незакреплённом состоянии находиться на поверхности

жидкости в строго горизонтальном положении. В конкретных

применениях поплавковый датчик закрепляется посредством

собственного кабельного зажима на высоте, соответствующей

предельному уровню жидкости. Процесс переключения

запускается качанием датчика, когда он отклоняется от

горизонтального положения в любом направлении, как это

представлено на рис. 3. В качестве коммутационных устройств

часто применяются жидкометаллические микровыключатели, в

которых в настоящее время вместо ртути используется

галинстан (Galinstan — жидкий металлический сплав,

включающий галлий, индий и олово и сохраняющий жидкое

состояние при температурах выше — 19ｰС).

Поплавковый выключатель состоит из корпуса

поплавка со встроенным микровыключателем и

присоединительного кабеля.

Современные поплавковые датчики используют три

разновидности не содержащих ртути коммутационных

устройств:

1. Шаровой  микро выключатель с определением

положения на основе индуктивного метода (рис. 4 а):

• пригоден для применения во взрывоопасных зонах

класса 1;

• номинальное напряжение 8В;

• подключается через барьер безопасности с

гальванической изоляцией;

• угол срабатывания ±12ｰ относительно горизонтальной

плоскости.

2. Шаровой  концевой микро выключатель (рис. 4 б):

• тип выхода— коммутируемые каналы;

• непосредственно подключается ко входу

измерительного преобразователя, не требует дополнительных средств сопряжения;

• коммутируемое €стинапряжение・ 250В переменного/постоянного тока,

коммутируемый ток до 3А (1А);

• угол срабатывания+18±6ｰ(верхняя точка), +5ｱ3ｰ(нижняя точка) относительно

горизонтальной плоскости.

3. Микровыключатель, использующий жидкий металлический  сплав Galinstan

(рис. 4 в):

Рис. 3. Принцип действия

поплавкового выключателя

Рис. 4. Устройство

поплавковых выключателей

4

• коммутируемое напряжение 250В переменного тока (150В постоянного тока),

коммутируемый ток до 4А;

• тип выхода— коммутируемые контакты;

• подключается непосредственно ко входу измерительного преобразователя, не

требует дополнительных средств сопряжения;

• угол срабатывания: ±5ｰ относительно горизонтальной плоскости.

В качестве поплавков применяют преимущественно  полые шаровидные или

сфероцилиндрические тела, выполненные из полипропилена, устойчивого к воздействию

неконцентрированных кислот и щелочей, большинства растворителей, спирта, бензина,

воды, консистентных смазок и масел. Датчики имеют выходные контакты с

коммутируемым напряжением 20...264 В переменного тока или 6...60 В постоянного тока.

Присоединительные кабели изготавливаются из поливинилхлорида (PVC) для

применений в водной среде, включая сточную воду, и в слабоагрессивных жидкостях; из

полиуретана (PUR), устойчивого к горюче смазочным материалам, нагретым маслам и

жидкостям, содержащим масла; из хлорсульфированного полиэтилена (CSM, Hypalon),

устойчивого к воздействию кислот, щелочей и многих растворителей. Длина кабеля

составляет 3, 5 или 10 метров. Поплавок закрепляется или за боковые выступы резервуара

через кабельный уплотнитель с резьбой, или посредством дополнительной массы или

стержней, зафиксированных в верхней части резервуара. Изгиб кабеля допускается только

в горизонтальной плоскости. Минимальная длина кабеля между точкой закрепления и

поплавком зависит от материала кабеля.

По заказу поставляется регулируемое комбинированное

устройство из поплавковых выключателей (до 5 датчиков),

позволяющее изменять уровни срабатывания выключателей, если

этого потребуют новые эксплуатационные условия. При поставке

данного устройства поплавки настраиваются по концу несущей

штанги. Подстройка по уровням срабатывания производится

пользователем на месте применения посредством перемещения

установочных фиксирующих колец (рис. 5).

Общие технические данные поплавковых  выключателей

v Точность: зависит от угла срабатывания (5...25ｰ) и

длины кабеля.

v Температура контролируемой среды: до 120ｰС.

v Рабочее давление: до 16 бар.

v Плотность измеряемого вещества: не менее 0,6 г/см3

(для обеспечения  необходимой плавучести форма

поплавка выключателя определяется по минимальному

значению плотности измеряемого вещества).

Основные достоинства:

v простота;

v прочность;

v невысокая стоимость.

Недостатки:

v непригодны для клейких жидкостей;

v проблемы с плещущимися жидкостями;

v плавучесть зависит от размеров поплавка;

v точка срабатывания зависит от изменений (колебаний) плотности вещества.

Буйковые  средства измерений уровня

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление,

описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является

Рис. 5. Регулируемое

устройство.

5

цилиндрических буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности

жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость.

При изменении  уровня жидкости в аппарате масса  буйка в жидкости изменяется

пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной

информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей ｫсила —

давлениеｻ и ｫсила — токｻ. В соответствии с видом используемого преобразователя силы

различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.

Схема буйкового  пневматического уровнемера приведена  на рис. 6, а. Уровнемер

работает следующим образом. Когда

уровень жидкости в аппарате равен

начальному h0 (в частном случае h0