Краткий обзор методов измерения заданной величины

Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и  акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.

Поплавковые уровнемеры

В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.

Буйковые уровнемеры

В буйковых уровнемерах  применяется неподвижный погруженный  в жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует  со стороны жидкости выталкивающая  сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал первого уровнемера — унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Гидростатические уровнемеры

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.

Емкостные уровнемеры

Работа таких уровнемеров  основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Радиоизотопные уровнемеры

Такие уровнемеры применяют  для измерения уровня жидкостей  и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-лучей при прохождении через  слой вещества.

Таким образом, положение  измерительной системы будет  отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U.

Ультразвуковые и акустические уровнемеры

Действие уровнемеров  этого типа основано на измерении  времени прохождения импульса ультразвука  от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного  импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором — наоборот.

Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал

Ультразвуковой способ измерения топлива:

Область применения:

    Использование средств неразрушающего контроля для измерения уровня жидкости или определения наличия/отсутствия жидкости в емкостях и трубопроводах.

  Некоторые характерные случаи использования ультразвукового неразрушающего контроля включают:

Поточный контроль уровня жидкости в различных автомобильных узлах, таких как баки для горючего, коробки передач, поддоны картеров и дифференциалы. В данном случае необходимы быстрые и надежные измерения средствами неразрушающего контроля. При использовании ультразвуковых измерительных приборов информация отображается менее, чем через секунду после проведения измерения. Кроме этого, результаты измерений могут быть сохранены на неопределенно долгий срок.

Измерение уровня едких  и химически активных жидкостей  при контроле процессов химического обогащения. В этих случаях емкости не могут быть вскрыты по причинам безопасности, а свойства химических препаратов не позволяют установить внутренний поплавковый уровнемер.

 

Порядок измерения уровня жидкости:

Для измерения уровня жидкости, находящейся в емкости, преобразователь приставляется ко дну емкости (при этом используется подходящая контактная жидкость). Электрический сигнал, поступающий с прибора на преобразователь, вызывает короткий ультразвуковой импульс, который проникает через стенку емкости и попадает в жидкость. Проходя через жидкость, импульс достигает поверхности жидкости, отражается от нее и возвращается обратно на преобразователь.

Эхосигнал от поверхности  жидкости прецизионно отсчитывается  от временной точки электронного нуля, установка которой позволяет вычесть от общего времени время прохождения ультразвука через стенку емкости. Время прохождения ультразвукового сигнала до отражающей поверхности и обратно преобразуется в значение уровня жидкости по следующей формуле:

(1) 
где - уровень жидкости,

- скорость звука в жидкости (которая должна быть установлена с использованием средств компенсации изменений скорости ультразвука прибора)

- время прохождения ультразвука до отражающей поверхности и обратно

Уровень жидкости отображается на цифровом жидкокристаллическом дисплее.

Оборудование для определения  наличия/отсутствия жидкости:

Во многих случаях  для такого типа контроля можно использовать дефектоскоп или генератор импульсов/приемник. В этом случае оператор визуально определяет наличие/отсутствие жидкости по форме отображаемого эхосигнала. При этом можно использовать строб-импульсы.

Порядок определения  наличия/отсутствия жидкости:

В эхо-импульсном режиме сигнал с преобразователя проникает в стенку емкости. Если в контрольной точке есть жидкость, часть ультразвуковой энергии проходит через жидкость, отражается от противоположной стенки емкости и возвращается через жидкость и стенку емкости обратно на преобразователь. Если жидкости нет, то донный эхосигнал отсутствует. Однако при этом может наблюдаться некоторое количество эхосигналов от внутренней поверхности стенки емкости, с которой контактирует преобразователь.

                   

         Отсутствие жидкости                                      Наличие жидкости

Рисунок 2 - Работа датчика

 

Логическая цепь прибора  отслеживает временной интервал появления эхосигналов от противоположной  стенки емкости. Если в этом временном  интервале появляются эхосигналы, зажигается световой индикатор наличия жидкости. Отсутствие эхосигналов в этом интервале свидетельствует об отсутствии жидкости в контрольной точке. В этом случае зажигается световой индикатор отсутствия жидкости.

В данном случае можно применить готовое заводское решение – уровнемер «Струна-М», применяемый на большинстве АЗС и АГЗС.

Система  предназначена  для  измерений  уровня,  температуры,  плотности,  давления, объёма  и  массы  жидкостей,  в  том  числе  взрывоопасных,  при  учётно–расчётных  и технологических  операциях,  а  также  для  измерений  уровня  или  сигнализации  наличия подтоварной воды.

Область  применения  системы –  взрывоопасные  зоны  помещений  и  наружных установок  согласно  маркировке  взрывозащиты,  ГОСТ  Р51330.13-99 (МЭК 60079-14-96), гл. 7.3 ПУЭ  и  другим  нормативным  документам,  регламентирующим  применение электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне и связанного искробезопасными внешними  цепями  с  электротехническими  устройствами,  установленными  вне взрывоопасной зоны,  в том числе на  АЗС,  АГЗС,  нефтебазах,  объектах  химической  и пищевой промышленности,  а также в качестве  эталонных средств измерений II  разряда согласно Государственной поверочной схеме для средств измерений уровня жидкости по ГОСТ 8.477-82 при градуировке резервуаров.

Система  соответствует  требованиям,  предъявляемым  к  особо  взрывобезопасному электрооборудованию подгруппы IIВ с видом взрывозащиты “Искробезопасная электрическая цепь уровня iа” согласно ГОСТ Р 51330.0-99 и ГОСТ Р 51330.10-99.

Условия эксплуатации системы:

а)  по  устойчивости  к  воздействию  температуры  и  влажности  окружающего  воздуха  по ГОСТ 12997-84  для  ППП,  ДД  и  КК –  исполнение  С2 (с  верхним  пределом  диапазона температур +55°С), для УВ, БУ и БИ – исполнение В1;

б)  по  степени  защиты  от  проникновения  воды,  пыли  и  посторонних  твёрдых  частиц  по ГОСТ 14254-96 для ППП, ДД и КК –  исполнение IР54, для УВ, БУ и БИ –  исполнение IР20.

 

2. Структурная схема ИИС «Струна-М»

В описании структурной схемы приняты следующие сокращения:

АЗС - автозаправочная  станция;

БВ - блок вычислительный;

БД - блок датчиков;

БДВ - блок датчиков воды;

БДУТ - блок датчиков уровня и температуры;

БДУТВ - блок датчиков уровня, температуры и воды;

БИ - блок индикации;  

БП - блок питания;

БСИ - блок сопряжения интерфейсов;

БУ - блок управления;

ДД - датчик давления;

ДТ - датчик температуры;

ДУВ - датчик уровня воды;

КИУ - канал измерений  уровня;

КИУВ - канал измерений уровня подтоварной воды;

КК - клеммная коробка;

КС - коробка соединительная;

КСУВ - канал сигнализации уровня подтоварной воды;

КУ - канал управления;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ППП - первичный преобразователь  параметров;

СК - соединитель клеммный;

СУВ - сигнализатор уровня воды;

СУГ - сжиженные углеводородные газы;

УВ - устройство вычислительное;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                Рисунок 3 – Структурная схема системы

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 –  Схема подключения группы датчиков

 

Структура измерительных каналов :

ППП, УВ и БИ образуют измерительные каналы КИУ, КИП, КИТ, КСУВ, КИУВ.  ДД, УВ и БИ образуют каналы КИД. ППП выполняет первичное  преобразование информации об уровне жидкости, наличии и уровне подтоварной воды. ДД выполняет первичное преобразование информации о давлении. КК объединяет  группу ДД для подключения к УВ. УВ осуществляет сбор информации от ППП и ДД, её обработку и вывод на БИ и  ПЭВМ. 

Варианты  интерфейсов  системы  для  подключения  к  ПЭВМ  представлены  на рисунке 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Варианты интерфейсов системы для подключения к ПЭВМ

 

 

Структура каналов управления

УВ и БУ образуют каналы управления. БУ  обеспечивает  коммутацию  силовых  цепей ~220 В 50Гц  и  цепей  постоянного  тока  по сигналам управления с УВ в зависимости от пороговых значений параметров.

Коммутация  цепей  используется  для  включения  или выключения  насосов,  световой  и звуковой сигнализации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 –  Структурная схема блока вычисления

 

В  состав  БВ  входят:  ячейка   микропроцессора  ЯМ,  от  одной  до  четырёх  ячеек распределительных ЯР. Все  ячейки  связаны  общей шиной,  включающей  в  себя шину  адреса, шину данных и цепи питания. ЯМ формирует  шину адреса, которая включает цепи выбора ЯР и цепи выбора канала  внутри ЯР. ЯР позиционируется на шине адреса с помощью внутренней кроссировки.

Шина  данных  представляет  собой  мультиплексируемый  двунаправленный  асинхронный последовательный  канал.  Со  стороны  ЯМ  канал  подключен  к  порту  микроконтроллера.  В области  ЯР  канал  через  мультиплексоры,  оптронную  развязку,  формирователи RS-485 выводится на разъёмы “К1”…“К16”.  ЯМ содержит интерфейсный порт типа “токовая петля” для связи с  БИ (маркировка “БИ”),

гальванически  изолированный порт RS-232 (“ПОРТ1”)   для подключения ПЭВМ  и RS-485 (“ПОРТ2”) для подключения БУ. Порты имеют защиту от перенапряжений в линиях связи. БВ  подключается  к БП  через разъем “БП”  ячейки  ЯМ,  потребляя стабилизированные напряжения +5В, +27В и выпрямленное напряжение +10В.  Напряжение +5В используется для питания вычислительных  средств ЯМ и цепей связи с ЯР. Через преобразователь DC/DC питаются интерфейсы “ПОРТ1” и “ПОРТ2”. Напряжение +10В транслируется в БИ через разъем “БИ”. Напряжение +27В  используется  для  формирования  искробезопасного  питания  каналов К1…К16 (+12В).