Уровнемер – прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня – это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

По результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мерные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему значению уровня значение объема резервуара.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т. д.). Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину – уровень – и преобразует ее в выходной сигнал, поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

К числу методических погрешностей, присущих любым процессам измерения уровня жидкостей, относятся: погрешность ориентации датчика в сосуде и температурная.

Измерение уровня может быть непрерывным или точечным. Датчики непрерывного уровня измеряют уровень в заданном диапазоне и определяют точное количество вещества в определенном месте, в то время как датчики точечного уровня указывают только, находится ли вещество выше или ниже точки восприятия. Как правило, последние обнаруживают минимально или максимально допустимые уровни.

Существует множество факторов, которые влияют на выборе метода измерения уровня. Критерии отбора включают физическую фазу (жидкость, твердое вещество или суспензию), температуру, давление или вакуум, химический состав, диэлектрическую постоянную среды, плотность (удельный вес) среды, перемешивание, акустический или электрический шум, вибрацию, тип резервуара, его размер и форма. Также важны ограничения: цена, точность, внешний вид, скорость измерения, простота калибровки или программирования, физические размеры и установка инструмента, контроль непрерывного или дискретного (точечного) уровня.

Погрешность из-за неправильной пространственной ориентации датчика возникает вследствие неточностей установки сосуда, монтажа датчика уровнемера на нем, деформации несущих элементов транспортируемых сосудов при их заполнении и опорожнении, неравномерной осадки фундаментов стационарных емкостей – хранилищ и т. д. Все это, в конечном счете, приводит к несовпадению трассы измерения уровня с перпендикуляром к поверхности раздела сред.

В настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. К наиболее распространённым методам измерения уровня, которые позволяют преобразовать значение уровня в электрическую величину и передавать её значение в автоматические системы управления, относятся:

контактные методы:

• волноводный;
• поплавковый;
• емкостной;
• гидростатический;
• буйковый;

бесконтактные методы:

• зондирование звуком;
• зондирование электромагнитным излучением;
• зондирование радиационным излучением.

Визуальные уровнемеры

Простейший уровнемер (визуальный) – водомерное стекло, в котором использован принцип сообщающихся сосудов, служит для непосредственного наблюдения за уровнем жидкости в закрытом сосуде (см. рисунок 2.69). Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде. Стёкла комплектуют вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы.

При соответствующем (исключающем влияние мениска) диаметре мерной трубки, подсветке поверхности раздела и использовании специальных средств отсчета (например, катетометров) погрешность визуальных уровнемеров при неподвижной поверхности жидкости может быть сведена к десятым и даже сотым долям миллиметра. Вследствие этого они находят широкое применение в поверочных установках с мерными баками, образцовых мерниках. Сложность дистанционных измерений уровня, невозможность использования в системах регулирования автоматизированными технологическими процессами препятствуют широкому промышленному применению визуальных уровнемеров.

Не рекомендуется использовать указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол таким образом, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.

Поплавковые уровнемеры

Поплавковые – уровнемеры с чувствительным элементом (поплавком), тогда измерение происходит по оценке положения предмета на поверхности жидкости относительно двух точек измерений.

На рисунке 2.70 а представлен уровнемер, показания которого считываются с помощью груза, соединенного гибким тросом с поплавком – чем выше уровень жидкости, тем больше опуститься груз. Линейные перемещения груза преобразуются в электрический сигнал, который и будет сигнализировать об уровне жидкости

На рисунке 2.70 б представлен магнитный байпасный индикатор уровня, функционирующий по принципу сообщающихся сосудов. Измерительная камера устанавливается вплотную к ёмкости таким образом, чтобы условия в измерительной камере и в ёмкости были одинаковыми. Поплавок оснащён системой постоянных магнитов, предназначенных для передачи измеренных значений на локальный индикатор. Система магнитов поплавка либо активирует магнитные пластины (флажковый индикатор) в соответствии с уровнем жидкости, либо перемещает магнитный указатель в индикаторе в зависимости от выбранного способа индикации. Индикация уровня осуществляется посредством изменения положения группы вертикально расположенных магнитных флажков или исходя из положения магнитного указателя.

Поплавковые измерительные приборы делятся на уравнемеры узкого и широкого диапазонов.

Поплавковые уровнемеры узкого диапазона представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок, выполненный из нержавеющей стали, который плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное уплотнение соединяется или со стрелкой измерительного прибора, или с преобразователем угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы.

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона представляют собой: поплавок, связанный с противовесом гибким тросом, в нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая значения уровня жидкости в резервуаре.

Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокое разрешение прибора 0,1 мм и точность измерений – 1 мм.

Область применения поплавкового метода измерения уровня очень широка. Его нельзя применять только в средах, образующих налипание, а также отложение осадка на поплавок. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах. Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей, а для липких сред существуют вибрационные поплавковые указатели уровня жидкости.

Преимущества:

• простая конструкция;
• надёжны и просты в обслуживании;
• выдерживают высокое давление и температуру;
• независимость измерений от химического состояния жидкости;
• доступная цена.

Недостатки:

• нет функций самодиагностики, поэтому рекомендуется осуществлять регулярный контроль их состояния и техническое обслуживание;
• подвижные части таких сигнализаторов подвержены загрязнению липкими или вязкими жидкостями;
• работа поплавка может зависеть от колебаний в жидкости; плескания и небольшие вибрации могут исказить показания поплавка;
• 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.

Буйковые уровнемеры

Буйковые уровнемеры работают по принципу вытеснения. Согласно этому принципу длина тела, погружённого в жидкость, соответствует диапазону измерения уровня. Подвешенный на измерительной пружине стержень-вытеснитель погружён в жидкость, и на него в соответствии с законом Архимеда воздействует выталкивающая сила, пропорциональная массе вытесненной телом жидкости. Изменению выталкивающей силы точно соответствует изменение длины пружины, что позволяет измерить уровень. Изменение длины пружины преобразуется при помощи магнитной системы в изменение уровня и передаётся на индикатор.

Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом буйковых уровнемеров. Примером материала буйка может служить нержавеющая сталь.

Буек располагается в вертикальном положении и должен быть частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается таким образом, чтобы она была приближена к максимальному измеряемому уровню.

По закону Архимеда вес буйка в жидкости должен изменяется пропорционально изменению уровня этой жидкости.

В простейшем случае буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рисунке 2.71 а таким элементом является пружина). Увеличивая уровень на Н от нулевого положения, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х < h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h – х):

где с – жесткость подвески; ρ_ж, ρ_г– плотность жидкости и газа; F– площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.

Принцип действия уровнемера с противовесом представлен на рисунке 2.71 б. Когда уровень жидкости в емкости меньше или равен начальному уровню h₀ (зона нечувствительности уровнемера), измерительная штанга 2, на которую подвешен буек 1, находится в равновесии. Так как момент М₁, создаваемый весом буйка G₁, уравновешивается моментом М₂, создаваемым противовесом 4.

Если уровень контролируемой среды становится выше h₀ (например, h), то часть буйка длиной (h – h₀) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьшается на некоторую величину, определяемую как

Следовательно, уменьшается и момент М₁, создаваемый буйком на штанге 2. Так как момент М₂ становится больше момента М₁, штанга поворачивается вокруг точки 0 по часовой стрелке и перемещает рычаг 3 измерительного преобразователя 5. Электрический или пневматический измерительный преобразователь формирует выходной сигнал. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной нулю. Уплотнительная мембрана 6 служит для герметизации технологической емкости при установке в ней чувствительного элемента. Как вариант, буек может быть установлен в специальной выносной камере вне технологической емкости.

Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м. Особенность буйковых уровнемеров – наличие начального (неконтролируемого) уровня, от которого ведется отсчет показаний. Размер начального уровня составляет обычно 4–10 мм. Он необходим для устранения влияния сил поверхностного натяжения, которое максимально в момент касания (или отрыва) буя поверхности жидкости. С этой же целью используют специальные покрытия, уменьшающие налипание жидкости на поверхности буя.

Преимущества и недостатки такие же, как и в поплавковых уровнемерах.

Емкостной уровнемер

Работа емкостных 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.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление ρ< 10⁶ Ом∙м и диэлектрическую проницаемость εж≥7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней. В качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рисунке 72 а.

Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой Н заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Н – h – воздухом.

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

где ε₀ = 8,85∙10^–12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н – высота электродов; d₁, d₂ – диаметры внутреннего и наружного электродов.

Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода.

Достоинства:

• простота конструкции и эксплуатации;
• удобства монтажа и обслуживания;
• надежность;
• высокая точность (существуют емкостные уровнемеры, основная погрешность которых не превосходит 0,1–0,2 %);
• может применяться в широком диапазоне технологических параметров, в частности, в условиях переменной плотности, повышенных температур (до 540 °C), высоких давлений (до 345 бар), при наличии вязких/клейких продуктов;
• может применяться для непрерывного или точечного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов;
• применяется для измерения уровня границы раздела сред;
• невысокая стоимость;
• повышенная чувствительность;
• быстрота срабатывания;
• может работать с опасными и агрессивными веществами.

Недостатки:

• высокая чувствительность к изменению электрических свойств жидкостей, обусловленных изменением их состава, температуры и т. п.;
• образование на элементах датчика электропроводящей или непроводящей пленки вследствие химической активности жидкости, конденсации ее паров, налипания самой жидкости на контактирующие в ней элементы и т. п.;
• необходимость применения дополнительного опорного электрода в неметаллических резервуарах или в резервуарах, не имеющих вертикальных стенок;
• калибровка емкостного уровнемера может вызывать затруднения, особенно в случае невозможности «калибровки на стенде»;
• работа емкостных уровнемеров сильно затруднена в условиях сильного пенообразования.
• требуется дополнительная изоляция материалов при работе с диэлектриками;
• необходима настройка работы под каждый конкретный вид продукта, а также поправка чувствительности при изменении температуры продукта;
• чувствительны к налипанию вещества на зонд.

Последние два недостатка обусловливают появление существенных дополнительных погрешностей. С первым из них борются, применяя различные компенсационные схемы; второй устраняют, используя адгезионные покрытия элементов датчика, вводя специальные присадки в жидкость, применяя "снос" образующейся пленки и т. д.

Гидростатический уровнемер

Принцип действия гидростатических уровнемеров (рисунок 2.73 а) основан на измерении давления столба жидкости, высота которого равна высоте уровня жидкости в сосуде. Гидростатическое давление при этом измеряется либо с помощью двух манометров (М₁ М₂), либо одним дифференциальным манометром (ДМ).

Измерение уровня в открытом резервуаре

Для того чтобы получить значение уровня в открытом резервуаре, необходимо измерить гидростатическое давление жидкости. Столб жидкости оказывает воздействие на основании столба, обусловленное весом жидкости. Это воздействие, называемое гидростатическим давлением или давлением столба жидкости, может быть измерено в единицах давления. Гидростатическое давление определяется следующим уравнением:

где Р – гидростатическое давление; h – высота столба; γ – удельный вес.

При изменении уровня (высоты столба) жидкости пропорционально изменяется и гидростатическое давление. Поэтому простейшим способом измерения уровня в резервуаре является установка датчика давления на самом нижнем уровне. Уровень жидкости над точкой измерения может быть получен из величины гидростатического давления, если формулу, указанную выше, преобразовать для расчета высоты.

Измерение уровня в закрытом резервуаре

Если резервуар находится под давлением, то показаний одного датчика избыточного давления недостаточно, так как датчик не может распознать, вызвано ли изменение общего давления изменением уровня жидкости или изменением давления в резервуаре. Для решения этой задачи в закрытых резервуарах должен применяться датчик перепада давления, чтобы скомпенсировать давление в резервуаре.

При измерении перепада давления изменение суммарного давления в резервуаре в равной степени воздействует на верхний и нижний отбор, поэтому влияние внутреннего давления полностью исключается.

На нижнем отборе вблизи дна резервуара, измеряется сумма гидростатического давления и давления в парогазовом пространстве. На верхнем отборе измеряется только давление в парогазовом пространстве. Разность давлений на отборах (дифференциальное давление) используется для определения уровня.

Гидростатический уровнемеры применяются для:

• непрерывного мониторинга давления и уровня воды или иных жидкостей разной плотности, загрязненности и агрессивности (кислоты, высоковязкие и пастообразные продукты);
• замера уровня газов в резервуарах;
• регистрации данных состояния среды измерения для последующего использования в автоматизированной системе;
• сигнализации по определенным событиям (например, достижение определенной температуры и уровня);
• обследования узких труб и иных труднодоступных мест;
• защиты скважинных насосов от «сухого» (холостого) хода;
• управления технологическими процессами в автоматизированных системах (таких как насосные станции или канализационные системы);
• контроля и наблюдения за опустошением хранилищ;
• слежения за осадкой и положением судна.

Преимущества:

• низкая цена;
• простота в эксплуатации;
• могут применяться практически в любых резервуарах и любыми жидкостями, включая суспензии;
• могут работать в широком диапазоне давлений и температур, а так же при наличии пены и неспокойной поверхности.

Недостатки:

• на погрешность измерения может повлиять изменение плотности жидкости.
• необходимо соблюдать особые меры предосторожности при работе с вязкими, коррозионно-активными или иными агрессивными жидкостями;
• не работают со средами, находящимися в твердом состоянии.
• если датчики давления установлены с импульсными трубками (сухие и мокрые колена), тогда на их работу будет влиять изменение температуры окружающей среды из-за изменения плотности заполняющей жидкости в мокром колене или накопления конденсата в сухом колене.

Гидростатические уровнемеры с механическими воспринимающими элементами отличаются простотой монтажа и обслуживания, высокой надежностью. Однако их чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с контролируемой средой, что требует в ряде случаев применения для датчиков специальных материалов, существенно сужает область их использования. От указанного недостатка свободен один из типов гидростатических уровнемеров – пьезометрический, принципиальная схема которого приведена на рисунок 2.73 б.

Пьезометрический уровнемер содержит регулятор давления 3, контрольный прозрачный сосуд 1, манометр 2. Редуктором создается такое давление воздуха, при котором в баке 4 только-только исчезают пузырьки. При этом давление воздуха будет прямо пропорционально уровню жидкости в сосуде 4. Контроль над практическим прекращением движения воздуха в баке (который, как правило, закрыт) ведут по моменту редкого прохождения пузырьков в контрольном сосуде 1.

Пьезометрические уровнемеры пригодны для измерения уровня любых, в том числе, и агрессивных жидкостей (при правильном выборе материала импульсной трубки). Единственный лимитирующий фактор – вязкость жидкости. Влияние вязкости проявляется в увеличении диаметра пузырьков газа, отрыв которых от обреза трубки сопровождается возникновением колебаний давления и расхода в измерительной линии, что резко снижает точность измерений. Поэтому пьезометрические уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей, вязкость которых не превышает 2 000 сСт.

Магнитный уровнемер

Магнитный уровнемер – это вертикальный индикатор, состоящий из камеры, установленной на технологическом резервуаре, и колонки с визуальными указателями для индикации уровня.

В камере размещены магнитные поплавки, которые движутся вверх и вниз вместе с поверхностью среды и переключают или перемещают указатели в колонке, как показано на рисунке 2.74. Поплавки могут также управлять переключением магнитострикционных датчиков, чувствительных к магнитному полю.

Камера указателя изготовлена из немагнитного материала, стойкого к технологическим средам и способного противостоять воздействию температуры и давления. Камера устанавливается на технологическом резервуаре таким образом, что уровень жидкости в камере совпадает с уровнем жидкости в резервуаре, но поверхность среды в камере более спокойная. Камера присоединяется к резервуару чрез отборные трубы и может иметь несколько присоединений. В ней содержатся те же жидкости и границы раздела сред, что и в технологическом резервуаре, при условии, что присоединения обеспечивают надлежащее сообщение камеры и резервуара.

Магнитный поплавок или поплавки, находящиеся в камере, рассчитаны таким образом, чтобы находиться на уровне верхней жидкости и/или на границе раздела двух жидкостей с учетом их удельного веса. Указатели обычно состоят из корпуса, в котором помещается колонка с флажками или роликами. Линии силового поля от намагниченного поплавка проходят сквозь стенки камеры и воздействуют на флажки или ролики, в результате чего они разворачиваются обратной стороной, окрашенной в контрастный цвет.

Таким образом, осуществляется индикация положения поплавка (поплавков) в камере. Уровень жидкости или границы раздела сред в камере поднимается и опускается; соответственно поднимается и опускается поплавок (поплавки), и положение уровня отображается на указателе. Линии магнитного силового поля могут воздействовать также на магнитострикционные датчики или магнитные реле любого типа, например, герконовые, установленные на колонке.

Конструкция поплавка зависит от давления в резервуаре и удельного веса технологической жидкости во всем диапазоне рабочих температур. Наиболее сложными являются процессы, в которых сочетаются высокая температура, высокое давление и низкий удельный вес, магнитные индикаторы могут применяться при температурах до 538 °C, при давлении свыше 275 бар и в жидкостях с удельным весом 0,4 и ниже.

Преимущества:

• в самом указателе не содержится технологическая жидкость, чем устраняется опасность выброса жидкости в окружающую среду в случае разрушения стекла или из-за нарушенного уплотнения;
• возможно наблюдение за уровнем с расстояния;
• возможен контроль бесцветных жидкостей или для жидкостей, которые вызывают загрязнение или травление смотрового стекла;
• большой срок службы.

Недостатки:

• магнитные поплавки подвержены загрязнению и заклиниванию;
• липкая среда, содержащая вещества, подобные парафину, может стать причиной застревания или зависания поплавка, если температура камеры опустится ниже температуры технологического процесса;
• поплавки могут повредиться во время гидравлических испытаний, при очистке паром, а также в ходе запуска и остановки технологического процесса.

Кондуктометрические уровнемеры

Принцип действия кондуктометрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками; газы же, находящиеся в жидкостном пространстве, всегда диэлектрики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков – относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами.

Кондуктометрические уровнемеры (уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (в том числе, и жидких металлов). Первичный преобразователь (рисунок 2.75) кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уровня. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. При измерении уровня «сверхпроводящих» жидкостей (например, жидких металлов) возможно применение кондуктометрических уровнемеров с одним электродом, роль второго электрода при этом выполняет заземленный сосуд.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров – непостоянство площадей поперечных сечений электродов (и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов), а также образование на электродах пленки (окисла, соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности датчика. Обычно уровнемер используется в качестве сигнализаторов уровня пенящихся продуктов и, чаще всего в тех случаях, когда датчики монтируются на боковых стенках резервуаров.

Кондуктометрический метод обнаружения пара и воды – проверенный метод измерения. Разница в сопротивлении воды и пара очень большая, что обеспечивает простоту и надежность измерений. Применение электронного метода измерения уровня воды, обнаружения воды/пара обеспечивает высокий уровень самодиагностики и достоверности измерений по сравнению с механическими уровнемерами.

Преимущества:

• датчики и арматуру можно без труда изготовить из материалов, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам;
• воздействие высоких температур (например, при выполнении процедуры «мойки на месте») не оказывает влияния на работу датчика;
• простота и низкие затраты на его реализацию;
• является идеальным при регулировании по двум точкам (например, при управлении насосом).

Недостатки:

• может использоваться для сигнализации уровня только токопроводящих жидкостей и реализуется только в предельных выключателях;
• система перестает действовать, если датчик загрязняется непроводящим ток веществом, например, жиром или маслом;
• при измерении уровня продуктов, которые могут оседать на поверхности датчика (образуя, таким образом, пленку), необходимо пользоваться модификацией уровнемера с низким сопротивлением;
• модифицированный уровнемер может «отличить» продукт от пленки продукта, образовавшейся на датчике;
• отсутствие подвижных частей;
• предел рабочей температуры ограничивается применяемыми материалами и составляет 500 °C;
• на точность существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов.

Акустические уровнемеры

Существуют и находят применение акустические уровнемеры трех основных типов

– Локационные уровнемеры – используют для работы эффект отражения УЗ колебаний от границы раздела сред. Именно эти уровнемеры называются ультразвуковыми. Положение уровня, здесь, определяется по времени прохождения ультразвуком расстояния от источника до поверхности и обратно до приемника.

– Уровнемеры поглощения – в основе принципа действия этого вида уровнемера лежит явление рассеивания или поглощения звуковой энергии в различных веществах. Для определения уровня среды в емкости определяется степень ослабления интенсивности ультразвуковых волн при прохождении через слои газа и жидкости. Сигнал здесь учитывается при отражении не от границы раздела двух сред, а от дна резервуара.

– Резонансные уровнемеры – приборы такого вида работают по принципу возбуждения колебаний столба газа над уровнем жидкости и в последующем измерении резонансной частоты, при которой наблюдается возникновение так называемой «стоячей волны».

Локационные ультразвуковые уровнемеры получили наибольшее распространение. Измерение уровня локационным способом может осуществляться либо через газовую среду над жидкостью (подразумевается установка сверху), либо снизу через слой жидкости.

На рисунке 2.76 представлен локационный уровнемер. Генератор Г излучает в жидкость пачку импульсов высокой (ультразвуковой) частоты. Отраженный от границы раздела жидкость-газ сигнал улавливается приемником П ультразвуковых колебаний. Время t между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода отраженного от уровня импульса связано с текущим значением уровня зависимостью:

Время t фиксируется соответствующей измерительной схемой и преобразуется в выходной сигнал уровнемера, пропорциональный (при постоянном и известном значении с) текущему значению уровня h.

Локация уровня может производиться снизу и сверху. Во втором случае по времени прохождения ультразвуковых колебаний через газ определяется толщина газовой подушки. Локация снизу предпочтительней, так как при этом требуется меньшая мощность излучателя, и меньшее усиление сигнала в приемной части уровнемера.

Локационные уровнемеры, работающие через газовый слой, имеют погрешность, зависящую от скорости звука в определенных условиях давления и температуры газа. Также на уровнемеры этого типа оказывает влияние поглощение ультразвуковых волн газом, что требует более мощного источника УЗ волн. Стоит заметить, что локационные уровнемеры верхней установки не зависят от изменения физических характеристик жидкости, поэтому, они используются для измерения уровня неоднородных, кристаллизующихся и кипящих жидкостей, содержащих пузырьки газа и др.

Уровнемеры типа «локация через жидкость» – используются для сред с высоким давлением. Они требуют значительно менее мощного источника излучения УЗ волн, однако, они требовательны к различным включениям в жидкости (вплоть до того, что пузырьки газа при вскипании оказывают на них огромное влияние). Таким образом, такие уровнемеры используются только для однородных жидкостей. К тому же они, как и уровнемеры типа «локация через газ», зависят от температуры и давления среды.

Недостаток локационных уровнемеров – их повышенная чувствительность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа). Этот недостаток отсутствует у двухканальных уровнемеров, работающих по схеме совпадений. В этом случае излучение ультразвуковых колебаний осуществляется одновременно двумя датчиками. Отраженные сигналы усиливаются и суммируются, срабатывание системы измерения времени происходит только от суммарного сигнала. Если же из-за наличия включений в зоне работы какого–либо датчика один из отраженных сигналов опережает другой, система измерения времени не срабатывает и, тем самым, исключается возможность ошибочного измерения уровня. Другой способ устранения влияния неоднородности жидкости и деформации уровня – использование звук оводов. В этом случае локация уровня производится сверху, но не через газ, а через специальный жидкостный или металлический звуковод. В точке встречи звуковода с жидкостью происходит отражение сигнала, по времени прихода, которого к приемнику и определяется положение уровня жидкости. Такие уровнемеры (со звуководами) обладают сравнительно невысокой точностью (порядка ±3%), но зато значительно расширяются их эксплуатационные возможности. В частности, они могут использоваться для измерения уровня низкокипящих жидкостей, при высоких температурах контролируемых веществ.

Достоинства:

• точность измерения не зависит от физических свойств анализируемого продукта (электропроводности, диэлектрической постоянной, вязкости, плотности и т.п.);
• бесконтактные средства измерения обычно не подвержены эрозии и не могут «засоряться», «обволакиваться»;
• в последнее время созданы датчики, предназначенные для применения в высоких, узких, запыленных емкостей.

Недостатки:

• влияние тепловое расширение сосуда и изменение скорости звука в среде на точность измерения;
• нельзя применять в условиях вакуума;
• нельзя применять при температурах выше 100 ºС;
• ультразвуковые колебания плохо распространяются в атмосфере углекислого газа;
• повышенная чувствительность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа);
• наличие пены на поверхности жидкости приводит к снижению уровня отраженного сигнала.

Волноводный уровнемера

Принцип действия волноводного уровнемера основан на распространении высокочастотных радиоколебаний в волноводе, размещенном в жидкости и измерении отражения этих колебаний от уровня раздела жидкость–газ или жидкость–жидкость с разными диэлектрическими проницаемостями (рисунок 2.77). Математическое описание аналогично радарным и ультразвуковым уровнемерам, в которых источник радиоимпульса или акустического импульса расположен над поверхностью жидкости, имеет следующий вид:

Интервал времени между импульсами Т_n однозначно определяет значение уровня Н в аппарате. с – скорость распространения радиоволн в газе. L– длина волновода до крепежного фланца.

Отличие волнового радарного уровнемера заключается в том, что радиоимпульс S передается от передатчика 2 в волновод 4, который в простейшем случае может представлять собой коаксиальный кабель, подобный телевизионному. Волновод помещен в уровнемерную колонку 1 ректификационной колонны. Крепёжный фланец уровнемера закреплен на крышке 7 колонки. От передатчика 2 высокочастотные электромагнитные импульсы низкой энергии, порожденные электрической схемой датчика, распространяются вдоль волновода 4, погруженного в измеряемую жидкую среду. Когда эти импульсы достигают поверхности измеряемой среды 6, часть энергии импульса E отражается и передается обратно вверх по волноводу 4, а электрическая схема вычисляет уровень на основе разницы во времени между моментами отправки и получения сигнала. Для того чтобы можно было сделать выводы об уровне среды 5 в колонке 1, волновод 4 доходит до дна колонки 1.

При измерении уровня посредством направленных высокочастотных измерительных сигналов используется физическое обстоятельство, что определенная доля Е направленного на волновод 4 высокочастотного измерительного сигнала S попадает на поверхность раздела двух сред с разными значениями диэлектрической проницаемости. Отраженная доля Е при этом тем выше, чем сильнее разнятся значения диэлектрической проницаемости обеих сред. В этой связи говорят также о скачке импеданса. Скачок импеданса происходит в данном случае тогда, когда измерительный сигнал S попадает на поверхность 6 среды 5. Отраженная доля Е измерительного сигнала проявляется на эхо-кривой как выраженный пик или так называемый полезный эхо-сигнал. Сама эхо-кривая представляем амплитуды измерительного сигнала в зависимости от времени прохождения или от пройденного пути. Блок 3 регулирования/обработки определяет время прохождения этого полезного эхо-сигнала и вычисляет на этой основе при известной высоте колонки 1 уровень среды 5 в нём.

Блок 3 содержит генератор, передатчик, приемник и усилитель радиосигнала, а также усилитель интервалов времени. Для регулирования заданного диапазона измеряемой величины блок 3 регулирования/обработки преобразует интервалы времени прохождения между посылкой и приемом первого и второго импульса (эхо-сигнала) в аналоговый выходной сигнал, изменяющийся в пределах 4 … 20 мА. Далее аналоговый сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь, который преобразует его в цифровой сигнал, где он в дискретизированном виде передаётся на контроллер.

Преимущества:

• возможно измерение уровня жидкостей, шлама и сыпучих материалов;
• отсутствие необходимости корректировки настроек при изменении плотности, диэлектрической постоянной или электропроводности жидкости;
• изменения давления, температуры и состояния парогазового пространства над жидкостью практически не влияют на погрешность измерения;
• не имеют подвижных частей, что сводит к минимуму потребность в техническом обслуживании;
• монтаж возможен даже при наличии продукта в резервуаре.

Недостатки:

• сложный выбор зонда, который производится исходя из условий технологического процесса, требуемой длины и ограничений по монтажу;
• зонды не должны соприкасаться с металлическими объектами (кроме коаксиальных зондов), так как это влияет на измерительный сигнал;
• сложность использовать датчик в камерах с диаметром до 75 мм из-за того, что в них сложнее избежать контакта зонда и стенок камеры.

Оптические уровнемеры

При измерении уровня жидкостей оптическими методами могут быть использованы различные явления, связанные с прохождением света через среды, образующие поверхность раздела, – отражение или преломление света на поверхности раздела, ослабление его интенсивности в поглощающей среде и др. Однако на практике наибольшее распространение получили оптические уровнемеры с визуальной фиксацией границы раздела жидкость–газ и фотоэлектрические уровнемеры, использующие эффект отражения света от поверхности жидкости.

Принципиальная схема фотометрического уровнемера отражения приведена на рисунке 2.78. Световой луч от лампы Л проходит через конденсаторную линзу К и через окно вводится в сосуд. Падая под углом на поверхность жидкости, свет отражается от нее и попадает через оптически прозрачную стенку на протяженный приемник излучения П. Координата приемника у, в которой фиксируется максимальная освещенность, характеризует текущее значение уровня.

Аналогичным образом может быть построен и фотоэлектрический уровнемер преломления.

Преимущества:

• подходят для контроля уровня агрессивных жидкостей.

Недостатки

• зависимость от физических свойств жидкости;
• низкая чувствительность;
• узкий диапазон области применения;
• сложная конструктивная схема.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики - Авдеев Б.А. [2018]

• Система ДАУ STL-930
• Элементы периферийного оборудования систем ДАУ
• Элементы, узлы системы дау
• Автоматические регуляторы. Схемы и свойства типовых регуляторов
• Классификация систем управления