Методы измерения и контроля уровня. Виды уровнемеров. Сравнение и обзор уровнемеров.

Терминология измерений уровня

Значение уровня выражается, как правило, в единицах длины. Уровень может также быть выражен в % от значения, соотвествующего полному резервуару или в % от диапазона измерений. Например, уровень в резервуаре на Рисунке 2.1 может быть представлен, как 2,7 м, 90% от полной емкости или 50% от диапазона измерений.

Рис. 2.1: Измерение уровня

2.1 Индикация и регулирование

Индикатор уровня обеспечивает местное отображение уровня. Индикатор требует присутствие оператора, для считывания его показаний и выполнения соответствующих операций. Системы, в которых используются индикаторы уровня, называются разомкнутыми системами управления. Индикаторы также часто используются в качестве вспомогательного средства при калибровке автоматических систем управления.

Автоматические системы управления, или системы с обратной связью, могут регулировать уровень в резервуаре. Уровенмер, оснащенный средствами дистанционной передачи измерительной информации, генерирует сигнал, пропорциональный уровню в резервуаре. Этот сигнал передается в регулятор, который воздействует на исполнительные устройства (клапаны или насосы), которые, в свою очередь, управляют расходом продукта на входе и выходе резервуара. Резервуары с автоматическим управлением могут также оснащаться индикаторами для измерения уровня.

Точное измерение уровня жидкости в емкости, реакторе или ином резервуаре имеет большое значение для многих технологических процессов. Для обеспечения качественного управления процессом важно обеспечить измерение уровня с конечной погрешностью. В данном разделе представлены принципы работы средств измерения уровня и техническая терминология, а также, каким образом на основании измерений уровня можно определить другие свойства среды (например, объем и плотность).

2.2 Система управления резервуарным парком, непрерывное и дискретное измерение уровня

Система управления резервуарным парком

Система управления резервуарным парком применяется в случаях, когда на предприятие закзачика поступает сырье, которое хранится в накопительных резервуарах, а также при отгрузке готовой продукции, то есть когда есть задача технологческого или коммерческого учета запасов сырья/готовой продукции.

Типичные области применения систем управления резервуарными парками:

• Большие резервуарные парки на нефтебазах, нефтяных терминалах и нефтепроводах;

• Резервуары для хранения сырья / промежуточного продукта / готовой продукции на нефтеперерабатывающих предприятиях;

• Большие емкости для хранения сырья и готовой продукции на химических и асфальтовых заводах, электростанциях и топливных складах аэропортов.

Обычно в системе управления резервуарным парком, кроме уровня, выполняются измерение температуры, давления и уровня подтоварной воды. В систему управления парком включается оборудование связи, рабочие станции и программное обеспечение. Измеренные значения используются для расчета полезного объема, передаваемого потребителю (в коммерческих целях), учета запасов, для решения эксплуатационных задач и обеспечения безопасности.

Измереннные значения часто используются для оформления коммерческих документов и должны быть очень точными, воспроизводимыми и надежными, полностью отвечая требованиям стандартов API MPMS 3.1 В и OIML R85, или национальных норм точности. Обладая инструментальной погрешностью /-0.

Уровнемеры непрерывного измерения

В технологических процессах чаще применяются уровнемеры с непрерывным выходным сигналом. Как правило, в системе управления измеряемый уровень является независимым входным сигналом. При этом надежность и воспроизводимость показаний имеют большее значение, чем погрешность измерения. Требуемая погрешность измерений обычно составляет 5..10 мм.

Уровнемеры с непрерывным выходным сигналом востребованы во многих отраслях промышленности – химической, нефтегазодобывающей, энергетической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей, фармацевтической, в производстве продуктов питания и других технологических процессах.

Резервуары в технологических процессах отличаются широким разнообразием размеров и формы, но высота большинства из них не превышает 18 м. Во многих случаях измерение уровня выполняется в выносной камере, устанавленной снаружи резервуара, рядом с участком, где необходимо знать значение уровня.

Условия измерения могут разниться, в зависимости от положения, которое резервуар занимает в технологическом процессе. Промежуточные резервуары, отстойники являются достаточно простыми для измерения уровня. Измерение уровня в выносной камере также является распространненым случаем измерения уровня, в реакторах и резервуарах-смесителях существуют некоторые сложности.

Точечное измерение уровня

Сигнализаторы уровня часто применяются в дополнение к уровнемеру с непрерывным выходным сигналом для сигнализации верхнего и нижнего уровней. Сигнализаторы могут использоваться и самостоятельно для индикации заполненного или пустого состояния резервуара. Выбор типа сигнализатора определяется условиями механического монтажа, а также особенностями технологического процесса.

Выбор метода измерения с учетом применения

Понимание всех требований заказчика упрощает выбор средств дискретного/непрерывного измерения уровня для системы контроля параметров в резервуаре. В Главе 4 рассмтаривается ряд вариантов применений, приведены рекомендации по выбору подходящих методов измерения, ключевая информация по монтажу и рассмотрен передовой опыт применения уровнемеров различных типов.

Так как рассматривать все возможные варианты применения практически нецелесообразно, приведенные в этой главе применения были выбраны с целью дать обзор наиболее распространенных решений, встречающихся во многих отраслях промышленности, а также некоторые из задач, которые сопряжены с некоторыми проблемами по измерению.

2.3 Контактные и бесконтактные измерения

При контактных измерениях часть измерительной системы находится в непосредственном контакте с содержимым резервуара. Примерами контактных методов измерения являются волноводные, поплавковые уровнемеры и метрштоки.

При бесконтактных измерениях ни одна из частей измерительной системы не находится в непосредственном контакте с содержимым емкости.

Бесконтактные методы предпочтительны в случаях, когда измеряемая жидкость обладает особо абразивными, вязкими или коррозионными свойствами, имеет склонность к кристаллизации, либо загрязнена.

2.4 Измерения «сверху» и «снизу»

Измерение «сверху вниз» обеспечивает меньше возможностей для утечек (Рисунок 2.2) и позволяет установить или демонтировать измерительные приборы без опорожнения резервуара (например, радарный уровнемер). Нисходящие измерения могут выполняться в контакте или без контакта с технологической жидкостью.

Приборы для измерения уровня, в которых используются датчики давления, относятся к системам, реализующим измерение “снизу”. Уровнемер, реализующий такой принцип измерения, обычно соприкасается с технологической средой (например, датчик перепада давления).

Рис. 2.2: Измерение «сверху» и измерение «снизу»

2.5 Прямое и косвенное измерение уровня

Прямое измерение уровня реализуется в случае непостредтвенного измерения расстояния до поверхности. Например, пользуясь щупом для проверки уровня масла в двигателе автомобиля, Вы выполняете прямое измерение. Результаты прямого измерения не зависят от каких-либо других параметров технологического процесса.

Косвенное измерение, называемое также расчетным, подразумевает определение значения переменной, не являющейся уровнем, с последующим преобразованием полученного результата в значение уровня жидкости. Например, в датчиках давления для вычисления уровня используются значения массы и удельного веса жидкости.

2.6 Плотность

Плотность – это масса единицы объема материала. Плотность чаще всего выражается в килограммах на кубический метр (кг/м3). Часто для выражения плотности используется величина удельного веса – плотность среды по отношению к плотности воды.

Удельный вес

Удельный вес – это отношение плотности материала к плотности воды при одинаковой исходной температуре. Вода имеет плотность 1,00 г/см3 при температуре 4 °C. Глицерин, соединение, часто используемое в составе мыла, имеет плотность 1,26 г/см3. Таким образом, при одинаковой температуре удельный вес глицерина равен 1,26.

2.7 Объем

Объем – это пространство, занимаемое данным количеством материала, и уровень часто используется для вычисления объема. Объем обычно выражается в галлонах, литрах, кубических метрах или баррелях. Определение объема по значению уровня – это наиболее распространенный вид расчетов.

При определении объема сначала выполняется измерение уровня в резервуаре, после чего рассчитывается величина объема на основании геометрических данных резервуара.

В электронных модулях многих уровнемеров хранятся данные о геометрии резервуаров распространенных типов, что позволяет получить выходной сигнал в единицах объема.

В других случаях вычисление объема может осуществляться в распределенной системе управления (РСУ) или программируемом логическом контроллере (ПЛК), либо определяться по таблицам преобразования значений уровня в объем.

На следующей странице приведены соотношения между уровнем объемом для ряда распространенных форм резервуаров:

Рис. 2.3: Вертикальный цилиндр

Рис. 2.4: Горизонтальный цилиндр

Рис. 2.5: Сфера

Рис. 2.6: Вертикальный буллит

Рис. 2.7: Горизонтальный буллит

Резервуары с выпуклыми днищами

Резервуары с выпуклыми днищами не имеют стандартной формы (Рисунок 2.8). Поэтому объем эти резервуаров нельзя получить путем строгих геометрических расчетов. В этом случае для определения объема используются градуировочные таблицы.

Рис. 2.8: Резервуары с выпуклыми днищами

Градуировочные таблицы

Вычисление объема по значению уровня и геометрии резервуара обеспечивает достаточную точность для потребностей большинства пользователей. Однако в некоторых случаях резервуар может иметь неправильную форму, что делает практически невозможным вывод математического соотношения между уровнем и объемом. В таких случаях объем может быть рассчитан по значению уровня и по градуировочной таблице.

В градуировочной таблице устанавливается взаимосвязь между объемом и рядом дискретных значений уровня в резервуаре (Рисунок 2.9). Градуировочные таблицы обычно получают путем добавления известного объема продукта в резервуар с последующим измерением уровня, соответствующего этому объему (ручная привязка).

Рис. 2.9: Градуировочная таблица

Градуировочные таблицы могут содержать лишь несколько точек для описания формы резервуара, или состоять из сотен пар значений уровень/объем. Большее количество точек используются для крупных резервуаров, которые могут изменять форму при заполнении. Если измеряемое значение уровня попадает в промежуток между двумя точками в таблице, объем определяется методом интерполяции по двум точкам.

Как правило, градуировочные таблицы имеют меньший шаг значений уровня в тех областях резервуара, где зависимость между уровнем и объемом нелинейна. Например, на Рисунке 2.9 градуировочные точки сосредоточены вблизи днища резервуара. Это способствует увеличению разрешающей способности таблицы и уменьшению погрешности измерений.

Существует несколько причин для корректировки показаний уровнемера по градуировочной таблице.

При наливе продукта в резервуар его боковые стенки деформируются. Деформация резервуара вызывает дополнительную погрешность в расчетах, основанных на неизменной геометрии резервуара. Величина погрешности зависит от степени деформации. Градуировочные таблицы часто используются для устранения погрешности, возникающей из-за деформации резервуара (Рисунок 2.11).

Кроме того, в градуировочных таблицах содержатся зависимости уровень/объем для резервуаров неправильной формы (Рисунок 2.9) или для резервуаров с внутренним оборудованием (Рисунок 2.10).

Рис. 2.10: Резервуар с внутренним оборудованием

В некоторых случаях (например, при хранении или транспортировке нефти) ошибки, связанные с деформацией резервуара, могут привести к завышению или занижению сумм, выставляемых поставщиками к оплате потребителям.

Рис. 2.11: Ошибка из-за вздутия резервуара

2.8 Масса

Масса, как количество вещества, содержащегося в объекте, часто отождествляется с весом. Масса обычно выражается в килограммах, граммах, тоннах или фунтах. Масса не подвержена влиянию температуры. Так, 30 кг нефти при температуре 10 °С – это та же масса при 30 °С. Однако общий объем нефти может измениться в результате теплового расширения.

Если известна плотность материала, то массу можно рассчитать при помощи следующего уравнения, предварительно определив объем на основании измерений уровня:

Масса = Плотность x Объем

Некоторые приборы для измерения уровня могут измерять массу непосредственно (например, тензодатчики).

2.9 Граница раздела сред

Граница раздела – это слой между двумя несмешиваемыми (не поддающимися перемешиванию) жидкостями с различной плотностью (например, нефть и вода). Измерение поверхности раздела сред позволяет определить положение границы между жидкостями с различной плотностью, хранящимися в одном и том же резервуаре.

Уровень поверхности раздела часто используется для откачки из резервуара только верхнего продукта. Измерение положения границы раздела позволяет определить момент прекращения откачки продукта.

Рис. 2.12: Граница раздела сред

Измерение положения границы раздела может также использоваться в сепараторе для управления расходом верхней и нижней жидкостей на выходе из резервуара при минимальном уровне загрязнения.

Рис. 2.13: Измерение уровня и положения границы раздела сред в сепараторе

Выбор уровнемера

В связи с большим разнообразием приборов для измерения уровня выбор подходящего уровнемера для конкретной прикладной задачи может быть затруднен. Несмотря на то, что большинство методов измерения уровня можно использовать в различных технологических процессах, не существует универсального уровнемера, пригодного для всех случаев.

3.1 Зачем необходимо измерять уровень?

Вам необходима индикация уровня продукта, или желательно точно знать, какое количество продукта находится в резервуаре?

Ответ на этот вопрос покажет, какая информация должна поступать от уровнемера и какой тип измерений необходим (например, измерение массы или дискретный контроль). Например, если закачик хочет предотвратить перелив или узнать, когда возникнет необходимость пополнения резервуара, то сигнализатора уровня будет вполне достаточно.

Если же необходимо поддерживать объем продукта в резервуаре в определенных пределах, потребуется уровнемер с непрерывным выходным сигналом. Если закачику необходимо знать расход продукта в тоннах, нужны измерения массы. При необходимости организовать управление материальными запасами или коммерческий учет потребуется полноценная система контроля параметров в резервуаре.

3.2 Нужно ли измерять уровень границы раздела сред?

Перед тем, как приступить к выбору прибора для измерения уровня границы раздела сред, необходимо принять во внимание ряд факторов.

Для измерения границы раздела можно применять уровнемеры двух типов – волноводный уровнемер и датчик перепада давления. Ниже приводятся некоторые соображения, которые следует учесть при выборе одного из этих методов.

Волноводный уровнемер

Измерение положения границы раздела сред, основанное на различии диэлектрических постоянных двух жидкостей

Примеры типичных прикладных задач: нефть поверх воды, нефть поверх кислоты, органические растворители с низкой диэлектрической постоянной поверх воды или кислоты. К растворителям с низкой диэлектрической постоянной относятся толуол, бензол, циклогексан, гексан, терпентин и ксилол.

• Жидкость с низкой диэлектрической постоянной должна находиться сверху;

• Перепад значений диэлектрических постоянных жидкостей должен составлять не менее 10;

• Диэлектрическая постоянная верхнего продукта должна быть известной (ее можно определить в условиях эксплуатации);

• Максимальная толщина слоя верхнего продукта зависит от диэлектрической проницаемости материала;

• Для определения границы раздела сред толщина верхнего слоя жидкости должна быть от 10 см до 20 см, в зависимости от модели уровнемера

и типа зонда. За подробной информацией обратитесь к разделу 5 “Рекомендации по монтажу волноводных уровнемеров”;

• Типовое применение: верхний продукт с низкой диэлектрической постоянной (менее 3), нижний продукт с высокой диэлектрической постоянной (более 20);

• Возможно одновременное измерение уровня и уровня границы раздела сред;

• На измерение уровня границы раздела может повлиять наличие эмульсионного слоя. Результаты измерений будут зависеть от смешиваемых жидкостей. В большинстве случаев положение поверхности раздела определяется по верхней границе эмульсионного слоя. Тонкие эмульсионные слои (толщиной до 50 мм) не оказывают влияние на измерение.

Рис. 3.1: Измерение границы раздела сред волноводным уровнемером

Датчик перепада давления

Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей

• Датчик перепада давления;

• Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей;

• Обе мембраны датчика давления должны быть под жидкостью;

• Расстояние между отводами (L) x Разность удельных весов = Перепад давления;

Рекомендуемая величина перепада давления не менее 500 мм водяного столба;

Возможно только измерение уровня раздела сред;

Наличие эмульсионного слоя или нечеткая граница раздела не влияет на измерения.

Рис. 3.2: Измерение границы раздела датчиком дифференциального давления

3.3 Каковы условия внутри резервуара?

Необходимо ли уровнемеру работать в условиях высокого давления и температуры?

Уровнемеры некоторых типов могут достаточно надежно работать при высоком давлении и высокой температуры, в то время как возможности других ограничены. На выбор типа уровнемера влияют допустимые пределы рабочих давления. В Таблице 3.1 приведены допустимые пределы рабочих парметров для некоторых наиболее распространенных типов уровнемеров.

У некоторых уровнемеров устойчивость к воздействию параметров процесса достигается за счет ухудшения измерительных характеристик. Многие уровнемеры могут иметь повышенную погрешность измерения при колебаниях температуры технологического процесса.

Каково состояние поверхности, если поверхность неспокойная – какова причина – налив, перемешивание? Образуется ли пар или другие испарения над поверхностью продукта?

Измерение уровня приборами, рализующими измерение “сверху” может быть затруднено из-за неспокойного состояния поверхности или наличия паров. Например, принцип работы некоторых уровнемеров основывается на отражении сигнала от поверхности продукта. Неспокойная поверхность продукта или пары могут ослаблять сигнал, либо привести к отсутствию отражения от поверхности.

Присутствуют ли в резервуаре границы раздела сред, градиент температуры продукта, пена, взвешенные частицы?

Наличие границы раздела сред, неравномерности температуры, пены, взвешенных частиц или препятствий внутри резервуара может повлиять на достоверность результатов, в зависимости от выбранного метода измерений. Например, взвешенные частицы могут вызывать засорение чувствительных элементов.

Имеются ли какие-либо ограничения по монтажу в резервуаре?

Следует, по возможности, использовать существующие отводы и патрубки резервуара. В некоторых случаях монтаж затруднен из-за наличия стеклянной футеровки или сдвоенных стенок в резервуаре. У небольших емкостей меньше доступное пространство для монтажа.

Доступ к резервуарам может быть ограничен из-за расположения под землей, либо из-за близкого расположения резервуаров друг к другу, из-за высоты помещения, из-за наличия термизоляции/подогрева. Плавающая крыша в резервуаре может ограничить монтаж уровнемеров, реализующих измерение «сверху».

Должен ли прибор монтироваться в выносной камере?

Камеры обеспечивают доступ к уровнемерам для калибровки или устранения неисправностей без остановки технологического процесса. Кроме того камера может быть установлена так, чтобы охватывать интересующий диапазон уровней, вместо измерения уровня во всем резервуаре.

Для того чтобы температура жидкости в камере была как можно ближе к температуре в резервуаре, может потребоваться ее теплоизоляция или обогрев.

* Полный вакуум = -1 бар; атмосферное давление = 0 бар

** Верхний предел температуры для уплотнений в вакуумных установках ограничен.

3.4 Каковы условия эксплуатации?

Какое влияние будут оказывать условия окружающей среды на технические характеристики прибора?

При монтаже внутри помещения обеспечивается достаточно стабильная окружающая среда с минимальными колебаниями температуры и постоянной влажностью. Уровнемеры, установленные на резервуарах вне помещений, в большей степени подвержены воздействию температуры и влажности.

К другим внешним факторам, которые следует учитывать, относятся вибрация, электромагнитные помехи, и переходные процессы (импульсные помехи, вызванные грозовыми разрядами). Блоки защиты от переходных процессов и надежное заземление позволяют организовать достаточную защиту от переходных процессов.

3.5 Каковы характеристики продукта?

Уровнемеры одного типа не могут одинаково хорошо работать во всех возможных технологических процессах. Для применения в процессах с агрессивными технологическими жидкостями могут потребоваться уровнемеры, смачиваемые части которых изготовлены из специальных материалов.

Особенности технологического процесса могут по-разному влиять на уровнемеры различного типа:

• Вязкий продукт может забивать чувствительные элементы некоторых уровнемеров;

• Пыль, пена и пары могут мешать распространению измерительного сигнала;

• Изменение плотности продукта вызывает дополнительную погрешность в работе датчиков давления, если не применяется компенсация;

• Изменение диэлектрической постоянной (электрохимическое свойство жидкости, обусловленное ее способностью передавать электрический заряд от одного тела другому) влияет на работу емкостных уровнемеров;

• Отложения продукта могут повлиять на чувствительность уровнемеров контактного типа;

• Сыпучие материалы имеют тенденцию к слеживанию и, как правило, не образуют плоскую поверхность. Выберите, в какой точке конуса/воронки будет измеряться уровень, и убедитесь, что значение уровня в этой точке обеспечивает достоверное представление об уровне среды в бункере.

3.6 Каковы требования к погрешности измерений в данном применении?

Как определяется погрешность уровнемера?

Уровнемер, который хорошо работает в небольшом резервуаре, может не обеспечить требуемую погрешность измерений в большем резервуаре. Например, относительная погрешность 0,1 % от диапазона измерений обеспечивает абсолютную погрешность уровня ±1,5 мм в резервуаре высотой 1,5 м. Этот же уровнемер обеспечивает погрешность ±15 мм в резервуаре высотой 15 м.

Для уровнемеров, реализующих измерение «сверху», например, радарных уровнемеров, указывается либо величина абсолютной погрешности (±3 мм), либо относительная погрешность, приведенная к измеряемому расстоянию. Следует принимать во внимание и дополнительную погрешность, возникающую из-за воздействия прочих факторов, в частности, из-за влияния температуры.

Необходима ли низкая погрешность измерения?

В некоторых случаях первостепенной задачей может быть способность обеспечить надежность измерений.

В других случаях воспроизводимость измерений, то есть способность обеспечить неизменный результат при неоднократном измерении стабильного уровня, может иметь гораздо большее значение, чем низкая погрешность.

В системах управления резервуарными парками (для коммерческого учета и управления запасами) применяется большое число уровнемеров с самой низкой погрешностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью измерений. Без обеспечения высоких измерительных характеристик влияние погрешности измерения на финансовую деятельность может быть очень велико, и было бы невозможно соблюдать требования международных и национальных стандартов к организации коммерческого учета.

3.7 Какие требования предъявляются к уровнемерам?

Какие виды сертификатов необходимы?

Сертификация для эксплуатации в опасных зонах должна отвечать местным требованиям. Для многих приборов может оказаться достаточным соблюдение

стандарта по взрывобезопасности, но для эксплуатации на некоторых предприятиях или установках может потребоваться сертификат искробезопасности или другие виды сертификатов. В других случаях может потребоваться обеспечить соответствие санитарным требованиям.

Имеется ряд действующих национальных стандартов на соответствие систем коммерческого учета и управления материальными запасами местным метрологическим требованиям. Основным международным стандартом для коммерческого учета является OIML R85 в обновленной редакции R85:2008.

Каковы требования к выходным сигналам?

Наиболее распространенным выходным сигналом является непрерывный аналоговый сигнал 4-20 мА, не смотря на широкое распространение промышленных цифровых протоколов передачи данных. Кроме того, приобретает популярность беспроводная передача сигналов. В некоторых случаях необходимы сигнализаторы для оповещения операторов и реализации системы противоаварийной защиты.

Для обеспечения высокого разрешения и низкой погрешности в системах управления резервуарными парками необходимо использовать полевые шины для передачи информации от полевых приборов в распределенную систему управления.

Какие источники питания используются?

Большинство приборов работает с питанием 12-24 В постоянного тока, хотя встречаются приборы, работающие от сети переменного тока 110..220 В. Некоторые приборы способны работать на пониженном напряжении питания или в беспроводных сетях с питанием от батарей.

3.8 Каковая совокупная стоимость прибора?

Цена уровнемера имеет большое значение, но не меньшее внимание следует уделять затратам на монтаж и техническое обслуживание. В целом, недорогие уровнемеры (как правило, механические), требуют большего объема технического обслуживания. Более сложные электронные приборы зачастую стоят дороже, но расходы на их техническое обслуживание значительно ниже.

Еще одним фактором стоимости является срок службы уровнемера. Недорогой прибор, который нуждается в частой замене, может потребовать намного больших затрат, чем более дорогой, но и более долговечный, надежный и более подходящий к условиям эксплуатации уровнемер. В общем случае, уровнемеры с более высокими рабочими характеристиками стоят дороже.

3.9 Каковы условия работы оператора?

И наконец, рассмотрим удобство эксплуатации устройства.

Будет ли выбранный метод измерений понятен людям, которым придется пользоваться им повседневно?

Будет ли обеспечиваться простота установки, калибровки и технического обслуживания уровнемера?

Несмотря на то, что производительность и инженерные вопросы имеют решающее значение, удобство повседневной эксплуатации уровнемера может оказаться ключевым фактором для окончательного выбора и долговременного применения прибора.

Классификация методов измерения уровня

Существует много методов измерения уровня. Доступен выбор от простых ручных методов до более совершенных, не требующих контакта с измеряемым продуктом. Некоторые методы могут иметь варианты исполнения как для непрерывного, так и для дискретного измерения уровня.

• Ручные / механические

• Электромеханические

• Электронные контактные

• Электронные бесконтактные

В данном разделе рассмотрена каждая из групп приборов, и подробно рассматриваются их функции, преимущества и недостатки.

4.1 Ручные / механические

Приборы, относящиеся к категории ручных/механических, не формируют электрических выходных сигналов. Оператор использует прибор для визуальной индикации количества продукта в резервуаре. Примерами приборов для измерения уровня этой категории являются смотровые окна или метршток. Эти приборы недороги, но не могут работать автоматически.

4.2 Электромеханические

Приборы электромеханической категории представляют собой механизмы с множеством движущихся деталей, которые генерируют электрические выходные сигналы.

В отличие от ручных/механических приборов, электромеханические уровнемеры обеспечивают дистанционную передачу измерительной информации. Приборы с подвижными частями, как правило, требуют большого объема технического обслуживания. При воздействии на электромеханические уровнемеры липких, вязких или агрессивных сред создаются условия для загрязнения и коррозии подвижных механических частей, в результате его они часто требуют очистки и ремонта. Примером прибора для измерения уровня этой категории является буйковый уровнемер.

4.3 Электронные контактные

Приборы, относящиеся к категории электронных контактных приборов, не имеют подвижных частей. Несмотря на то, что электронные контактные уровнемеры могут подвергаться влиянию отложений или коррозии, они более надежны в эксплуатации и требуют меньшего объема обслуживания по сравнению с электромеханическими.

4.4 Электронные бесконтактные

Приборы из категории электронных бесконтактных обеспечивают измерение уровня современными техническими средствами без какого-либо соприкосновения с продуктом. Так как они не имеют движущихся частей и не контактируют с продуктом непосредственно, требования к техническому обслуживанию минимальны.

Электронные бесконтактные уровнемеры проще установить, чем уровнемеры других типов, так как при этом обычно не требуется опустошение резервуара. На погрешность измерения могут оказывать влияние пары и пена. Примерами устройств этой категории являются радарные и ультразвуковые уровнемеры.

4.5 Стоимость и измерительные характеристики

Выбор того или иного типа уровнемера зависит от того, что больше интересует пользователя – цена прибора, или измерительные характеристики. Эти два критерия в неявном виде пропорциональны. С другой стороны, затраты на техническое обслуживание обратно пропорциональны измерительным характеристикам.

На Рисунке 4.1 показана взаимосвязь первоначальных затрат и эксплуатационных характеристик для различных групп уровнемеров.

Рис. 4.1: Зависимость стоимости от эксплуатационных характеристик

На Рисунке 4.2 показана взаимосвязь затрат на техническое обслуживание и эксплуатационных характеристик у различных групп уровнемеров.

Рис. 4.2: Зависимость затрат на техническое обслуживание от эксплуатационных характеристик уровнемера

4.6 Сводная таблица приборов для измерения уровня

В Таблице 4.1. «Классификация измерений уровня» приводится распределение различных технологий измерения по соответствующим категориям. В таблице также указывается, какие технологические параметры могут измеряться каждым из устройств.

Измерение уровня по перепаду давления

Давление, создаваемое столбом жидкости, определяется тремя факторами:

• Глубина жидкости

• Давление на поверхности жидкости

• Плотность жидкости

Использование этих переменных позволяет выполнить измерения уровня по величине дифференциального давления.

6.1 Глубина жидкости

Давление в точке, находящейся под поверхностью жидкости, возрастает по мере увеличения высоты столба жидкости над точкой измерения. На давление влияет высота столба жидкости, а не ее объем. Если другие факторы (в частности, плотность жидкости и давление на ее поверхность) остаются постоянными, давление на глубине 3 м в большом резервуаре объемом 20 кубических метров не отличается от давления на глубине 3 м в небольшой емкости, содержащей всего 20 л воды.

Примером из повседневной жизни может послужить заплыв на глубине полутора метров под поверхностью воды в плавательном бассейне или на глубине полутора метров под поверхностью воды в большом озере. Несмотря на то, что озеро содержит гораздо большее количество воды, давление на Ваше тело на глубине полтора метра не возрастает пропорционально объему. Давление на глубине полтора метра в озере и в бассейне одинаково.

Так как давление жидкости прямо зависит от глубины (то есть уровня), измерение давления можно использовать для определения уровня.

6.2 Давление на поверхности жидкости

Давление на поверхности жидкости – это давление, прикладываемое над столбом измеряемой жидкости.

В открытом резервуаре на поверхность воздействует атмосферное давление (давление, оказываемое земной атмосферой). Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре поместить газ, то в результате на поверхности возникнет давление. Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре создан вакуум (безвоздушное пространство), то на поверхности возникнет отрицательное давление.

Давление на поверхность жидкости в герметически закрытом объеме называется давлением в резервуаре. Для обеспечения корректного измерения давления столба жидкости необходимо учитывать влияние давления на поверхности. Эта компенсация осуществляется при измерении перепада давления.

Для измерения давления собственно столба жидкости, в частности, при измерениях уровня, измеренное на поверхности давление вычитается из суммарного давления.

6.3 Плотность жидкости

Плотность – это масса единицы объема определенного вещества. Жидкость с большей плотностью имеет большую массу на единицу объема. Жидкости с большей плотностью оказывают более высокое давление на данную площадь, чем жидкости с меньшей плотностью, так как единица объема жидкости с высокой плотностью тяжлее.

Плотность часто выражают через удельный вес. Удельный вес – это отношение плотности определенной жидкости к плотности воды при одинаковой температуре. Вода имеет плотность 1000 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Вместе с плотностью жидкости указывается температура, потому что она влияет на плотность. Плотность бензина равна 660 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Для вычисления относительной плотности бензина, поделим его плотность на плотность воды:

660 кг/м3 / 1000 кг/м3 = 0,66

Так как относительная плотность представляет собой отношение плотностей, она не изменяется при изменении единиц измерения. Поэтому удельная плотность бензина 15,6 °С всегда равна 0,66, даже если значения плотностей бензина и воды выражены в других единицах измерения (напр. фунт/фут3):

41.2038 фунт/фут3 / 62.43 фунт/фут3 = 0,66

При умножении удельного веса на высоту столба жидкости получается гидростатическое давление.

Гидростатическое давление, представляет собой давление, создаваемое столбом жидкости. Гидростатическое давление прямо пропорционально относительной плотности жидкости и высоте столба жидкости.

В зависимости от того, где установлен датчик давления, необходимо выполнить расчеты для устранения возможных ошибок и обеспечить правильное считывание гидростатического давления прибором. Датчики давления могут быть установлены выше или ниже уровня отбора (точки, в которой должны измеряться параметры технологической жидкости).

Если датчик давления монтируется под отбором, столб жидкости в импульсной линии будет создавать дополнительное давление на сенсор прибора. Если известны длина импульсной линии и удельный вес жидкости, дополнительное гидростатическое давление можно исключить из результата измерений.

Если датчик давления монтируется над отбром, сила тяжести будет воздействовать на столб жидкости, оттягивая ее от сенсора датчика и создавая отрицательное гидростатическое давление. Отрицательное гидростатическое давление так же может быть рассчитано и исключено из результата измерений давления.

6.4 факторы, влияющие на плотность

Плотность жидкости, по определению – это масса единицы объема материала. Масса, как количество вещества, содержащегося в объекте, часто отождествляется с весом, и выражается в единицах измерения веса: фунты, тонны, килограммы или граммы. При увеличении концентрации жидкости к ней добавляется дополнительная масса, и плотность изменяется. Например, 10 % серная кислота имеет плотность 1,07 кг/л, а концентрированная серная кислота имеет плотность 1,83 кг/л.

Масса не подвержена влиянию температуры. Однако по мере нагревания или охлаждения жидкости ее объем увеличивается или уменьшается, что вызывает изменение значения плотности (отношения массы к объему). Таким образом, температура оказывает значительное влияние на плотность.

Для уровнемеров, у которых плотность учитывается в процессе измерений, изменение температуры будет влиять на значение уровня. Несмотря на возможность осуществления компенсации изменения плотности по температуре, плотность является фактором, который может внести существенную погрешность в измерение уровня, основанное на плотности.