Прибор для измерения уровня воды

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. Однако, задавая правильные вопросы и уточняя основные требования технологических процессов, заказчик может значительно сузить круг поиска и определить, какой уровнемер будет лучше всего работать в том или ином случае.

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.

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;

• 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

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. Состояние поверхности и парогазовой фазы в резервуаре в меньшей степени влияют на уровнемеры, реализующие принцип измерения «снизу».

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. Наличие пены требует особого внимания, так как одним заказчикам требуется измерение уровня поверх слоя пены, а другим – под ним.

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. Диаметр отводных труб должен быть достаточным для обеспечения свободного сообщения камеры и резервуара и достоверного измерения уровня в резервуаре. По этой же причине расстояние между резервуаром и камерой должно быть минимальным.

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. В таком случае, убедитесь, доступны ли подобные материалы у выбранного поставщика контрольно-измерительного оборудования, не исключено, что лучшим выбором будет бесконтактный уровнемер.

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. Первоначальная стоимость некоторых типов уровнемеров уменьшается по мере увеличения их технических возможностей и распространения на рынке средств измерения.

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.

Виды и принципы действия уровнемеров

Поэтому, Уровнемеры – это преобразователи уровня в непрерывный выходной сигнал во всем диапазоне измерения (обычно в электрический унифицированный выходной сигнал: токовый 0-5мА, 4-20мА (или инверсный 5-0/20-4мА) и/или в цифрой код (интерфейсы RS485, RS232, USB, M-Bus или протоколы: HART-протокол, ModBus и другие), на взрывоопасных производствах могут применяться пневматические датчики с выходным сигналом 20-100кПа),

а Сигнализаторы (датчики-реле) уровня — это устройства для дискретного контроля одного или нескольких фиксированных положений заданных значений (точек — уставок) уровня, изменяющие состояние выходного реле при его достижении (релейный выход — замыкание/размыкание электро-магнитных контактов).

Благодаря своей технологичности и разнообразию исполнений, для решения разных задач приборы измерения, контроля и регулирования уровня нашли самое широкое применение в промышленности, в энергетике (в автоматических системах управления и регулирования технологических процессов — АСУ ТП); химической, нефте-газовой и других отраслях, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ).

Физические принципы действия уровнемеров

По принципу действия уровнемеры для жидкостей разделяются на механические, гидростатические, электрические, акустические, радарные (радиолокационные), радиоактивные и другие.

Простейший визуальный Уровнемер – водомерное стекло (водоуказательное стекло Клингера), в котором использован принцип сообщающихся сосудов, служит для непосредственного наблюдения за уровнем жидкости в закрытом сосуде(резервуаре).

Механические Уровнемеры бывают поплавковые, с чувствительным элементом (поплавком), плавающим на поверхности жидкости, и буйковые, действие которых основано на измерении результирующей разнонаправленных сил, действующей на буёк (разницы выталкивающей гидростатической (Архимедовой) силы* и гравитационной силы тяжести). Перемещение поплавка или буйка через механические связи или систему дистанционной (электрической или пневматической) передачи сообщается измерительной системе прибора.

Измерение уровня гидростатическим Уровнемером (как механическим, пневматическим и электрическим (погружного, так и врезного принципа)) основано на уравновешивании давления столба жидкости в резервуаре давлением столба жидкости, заполняющей измерительный прибор, или реакцией упруго-пружинного механизма прибора, измерение ведется относительно атмосферного-Ратм (открытый резервуар) или «давления наддува»-Рн поверх зеркала жидкости в резервуаре под давлением, по формуле:
ΔP = Р — Рн,  где Р = ρgh + Рн *,
где ρ — плотность жидкости (кг/м3),
g — ускорение свободного падения (g=9,81м/с2),
h — высота столба жидкости (м).
(см. также механические Дифманометры-уровнемеры и электрические преобразователи гидростатического давления (зонды погружного типа) и датчики избыточного и дифференциального (перепада) давления).

Электрические Уровнемеры бывают ёмкостные и кондуктометрические.
В ёмкостных уровнемерах чувствительным элементом служит конденсатор, ёмкость которого изменяется пропорционально изменению уровня жидкости.
Действие кондуктометрического датчика-реле (сигнализатора) У. основано на измерении сопротивления между электродами, при погружении в электропроводную измеряемую среду (одним из электродов может быть токопроводящая стенка резервуара или аппарата).

В акустических, или ультразвуковых уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость – газ.

В радиоактивных уровнемерах используют просвечивание объекта измерения гамма-лучами радиоактивных элементов, интенсивность которых зависит от объёма измеряемого вещества.

Конструктивно все уровнемеры для жидкостей выполняются для открытых резервуаров (работающих под атмосферным давлением) и для аппаратов, находящихся под давлением (работающих под избыточным давлением наддува).

Виды приборов для контроля уровня жидкости

Виды датчиков уровня жидкости (слева на право) — байпасный*, кабельно-поплавковый (вертикальный), магнитострикционный, ультразвуковой, гидростатический (погружной), емкостной, герконовый (магнито-поплавковый), радарный, поплавковый, радиочастотный, вибрационный, ёмкостной, боковой поплавковый (горизонтальный), лопастное реле протока жидкости, температурный датчик протока жидкости, мини-поплавковый датчик-реле У.

Виды приборов для контроля уровня сыпучих продуктов

Простейшие уровнемеры для сыпучих веществ (продуктов) выполняются с чувствительными элементами в виде пластин, соприкасающихся с поверхностью вещества (в.т.ч. мембранные УРМ.). Изменение уровня дистанционно передаётся на вторичный измерительный прибор. Для измерения уровня сыпучих веществ применяют также электрические ёмкостные и радиоактивные УРМ.

Виды датчиков уровня сыпучих продуктов (слева направо) — вибратор, мембранный, горизонтально-лопастной, вибрационный концевик, емкостной, вертикально-лопастной, электро-механический, ультразвуковой, вибрационный концевик, радарный, радиочастотный (на основе радиочастотной проводимости), ёмкостной, вибрационный датчик сыпучих продуктов.

Закон Архимеда — один из законов статики жидкостей (гидростатики) и газов (аэростатики):
на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая или подъёмная сила, равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного частью тела, погружённой в жидкость или газ.
Закон открыт Архимедом в III веке до н. э. Выталкивающая сила также называется Архимедовой или гидростатической подъёмной силой:

Fa = ρgV  ,
где:
ρ — плотность жидкости или газа, кг/м3;
g — ускорение свободного падения, м/с2 (g=9,81м/с2);
V — объём части тела, погружённой в жидкость или газ, м3;
Fa — сила Архимеда, Н.

Давление столба жидкости

Гидростатическое давление столба жидкости,  действующее на чувствительный элемент (сенсор — мембрану, сильфон, трубку Бурдона и пр.) прибора (дифманометра — уровнемера), измеряется  относительно атмосферного — Ратм (для открытых резервуаров) или «давления наддува» — Рн поверх зеркала жидкости в резервуаре (для резервуаров находящихся под давлением) по формуле:

ΔP = Р — Рн ,  где Р = ρgh + Рн ,

Байпасный уровнемер

Байпас (англ. bypass — обход) — резервный путь, запасной маршрут для непременного обеспечения функционирования системы при наступлении нештатного (аварийного) состояния.
На базе байпасной камеры, установленной сбоку на резервуаре в виде сообщающегося сосуда, основан принцип действия водомерных стекол (водоуказательное стекло Клингера),
байпасных показывающих уровнемеров (с магнитным роликовым индикатором),
буйковых преобразователей уровня с токовым выходом 4-20мА,
и других.

Мы будем рады, если вышеизложенная информация оказалась полезна Вам, а также заранее благодарим за обращение в любое из представительств группы компаний «Теплоприбор» (три Теплоприбора, Теплоконтроль, Промприбор и другие предприятия) и обещаем приложить все усилия для оправдания Вашего доверия.

Предприятиями, входящими в группу компаний ГК «Теплоприбор», и нашими партнерами производятся и поставляются следующие виды измерительных приборов, систем и оборудования для контроля и регулирования уровня (далее У.) жидкостей и сыпучих продуктов:

1. Уровнемеры — ультразвуковые (акустические), радарные и поплавковые датчики-преобразователи уровня.

2. Преобразователи (датчики) уровня с унифицированным выходным сигналом 4-20мА и/или цифровым выходом (RS485, HART-протокол и пр.): уровнемеры электрические, пневматические, гидростатические, буйковые (поплавковые), радиолокационные (радиоволновые) и прочие ).

3. Датчики-реле и сигнализаторы уровня с релейным выходом для дискретного контроля одного или нескольких фиксированных положений значений (контрольных точек) У.: поплавковые, кондуктометрические, ёмкостные, ультразвуковые и вибрационные и других принципов действия.

Вернуться в начало страницы

ВатерпасПравить

Часто ватерпасом, в отличие от описанного выше жидкостного уровня, называют прибор, представляющий собой две строго перпендикулярные деревянные планки, соединенные в форме перевернутой буквы Т, на «ножке» которой закреплен отвес. Ватерпас выполняет те же функции, что и горизонтальный уровень, но более прост в изготовлении.

Емкостные уровнемеры

– непрерывное измерение и дискретный контроль уровня

6.1 Принцип измерения

При установке электрода для измерения уровня в резервуаре образуется конденсатор. Металлический стержень электрода выступает в качестве одной из пластин конденсатора, а стенка резервуара (или опорным электрод в неметаллических резервуарах) действует как другая пластина. При повышении уровня воздух или газ, окружающий электрод, вытесняется материалом, имеющим другое значение диэлектрической постоянной. Изменение емкости конденсатора происходит из-за изменения диэлектрических свойств среды между пластинами. Это изменение регистрируется электронными цепями для измерения емкости и преобразуется в команду для исполнительного реле или в пропорциональный выходной сигнал.

Зависимость для емкости конденсатора выражается следующим уравнением:

C = K ( A / D )

С = емкость в фарадах;

К = диэлектрическая постоянная материала; A = площадь пластин в квадратных метрах;

D = расстояние между пластинами в метрах;

Рис. 6.1. Принцип работы емкостного уровнемера

Диэлектрическая постоянная – это численное значение по шкале от 1 до 100, которая характеризует способность диэлектрика (среды между пластинами) удерживать электростатический заряд. Диэлектрическая постоянная материала определяется на испытательном стенде. В реальных условиях изменение емкости происходит различным образом, в зависимости от свойств измеряемой среды и выбора электрода для измерения уровня. Однако, основной принцип всегда остается в силе. Если среда с низкой диэлектрической постоянной вытесняется средой с высокой диэлектрической постоянной, то суммарная емкость системы возрастает.

При увеличении размеров электрода (возрастании эффективной площади поверхности) емкость возрастает; при увеличении расстояния между измерительным и опорным электродами емкость уменьшается.

Емкостной уровнемер 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, пены и паст. Он может применяться для непрерывного или точечного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов, и пригоден для измерения уровня границы раздела сред. Кроме того, емкостные уровнемеры отличаются невысокой стоимостью.

Изменение диэлектрических свойств среды, а также осаждение продукта на зонде, приводят к ошибкам измерений емкостного уровнемера. Существуют различные варианты компенсации влияния отложений продукта на емкостных зондах. В неметаллических резервуарах или в резервуарах, не имеющих вертикальных стенок, требуется применение дополнительного опорного электрода. Калибровка емкостного уровнемера может вызывать затруднения, особенно в случае невозможности “калибровки на стенде”, а изменение характеристик парогазового пространства может повлиять на выходной сигнал. Кроме того, работа емкостных уровнемеров сильно затруднена в условиях сильного пенообразования.

Бесконтактный (радарный) уровнемерПравить

Непрерывное измерение уровня по радарному принципу основано на теории распространения электромагнитных волн британского физика Джеймса Максвелла, созданной им в 1865 году. Он предположил, что силовые линии меняющегося магнитного поля окружены кругообразными силовыми линиями электрического поля, даже при отсутствии электрических проводников. Вдохновлённый этой теорией, немецкий физик Кристиан Хюльсмайер в 1904 году в Дюссельдорфе разработал телемобилоскоп и запатентовал этот первый радарный прибор. Благодаря этому устройству он стал известен как изобретатель первого радара.

Измерение уровня молока на стерильных танках хранения

Излучаемый сигнал отражается от поверхности измеряемой среды и с небольшой временной задержкой t принимается антенной. Используемый радарный принцип называется FMCW (непрерывное частотно-модулированное излучение). При радарном FMCW измерении используется высокочастотный сигнал, частота излучения которого во время измерения линейно возрастает (так называемое качание частоты). Излучаемый сигнал отражается от поверхности измеряемой среды и принимается с небольшой временной задержкой t. Время задержки рассчитывается по формуле t=2d/c, где d – это дистанция до поверхности продукта, а c – это скорость света в газе над поверхностью среды. На основании частоты посланных и принятых сигналов рассчитывается разница Δf, используемая при дальнейшей обработке сигнала. Разница частот прямо пропорциональна дистанции. Большая разница между частотами соответствует большей дистанции, и наоборот. Разница частот Δf трансформируется в частотный спектр с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ), на основании которого затем рассчитывается дистанция. Уровень рассчитывается как разница между высотой резервуара и полученной дистанцией.

Гидростатический уровнемерПравить

Основным принципом действия данных уровнемеров является измерение гидростатического давления, оказываемого жидкостью. Существует три основных типа гидростатических уровнемеров – погружные, врезные и фланцевые, выделяемые по типу присоединения к процессу. Так же, так как этот фактор обуславливает специальные требования к материалам, из которых изготовлен прибор, имеет смысл выделять гидростатические уровнемеры по типу измеряемых сред: неагрессивная к нержавеющей стали, агрессивная к нержавеющей стали, пульпообразная, густая и абразивная среды. При выборе метода измерения уровня, следует учитывать, что корректные измерения гидростатическими датчиками возможны только в средах с постоянной плотностью, так как гидростатическое давление зависит от плотности жидкости и величины уровня. При необходимости решения задачи измерения уровня в средах с меняющейся плотностью, возможна установка двух датчиков уровня. Один прибор устанавливается в емкость для отбора пробы. В емкости обеспечивается постоянный уровень и уровнемер измеряет плотность, а данные со второго (собственно уровнемера) пересчитываются в контроллере с учетом текущей плотности среды, с которого уже скорректированный сигнал поступает в верхний уровень.

• простота монтажа и обслуживания;
• высокая надежность;
• гидростатические уровнемеры отлично работают с вязкими жидкостями и при большом избыточном давлении.
• точность;
• реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;

• движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Беррнулли);
• атмосферное давление должно быть скомпенсировано;
• изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.
• чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, что требует для датчиков специальных материалов, существенно сужая область их использования.

Уровень (инструмент)

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 мая 2021 года; проверки требует 1 правка.

Уровень с двумя ампулами: одна размещена параллельно длине уровня, другая — перпендикулярно

Уровни разной длины с боковой линейкой.

История изобретенияПравить

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. Если объединить приборы для измерения уровня с общими характеристикам в группы, то можно выделить следующие четыре категории:

• Ручные / механические

• 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.

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. Примерами приборов для измерения уровня этой категории являются волноводные, емкостные уровнемеры, а также датчики давления.

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.

Магнитострикционные уровнемеры

– непрерывное измерение уровня

Рис. 10.1. Возникновение магнитострикции при взаимодействии магнитных полей

10.1 Принцип измерения

Магнитострикционные уровнемеры определяют момент пересечения двух магнитных полей, одно из которых создается магнитом поплавка, а другое – волноводом. Электроника генерирует токовый импульс малой мощности, распространяющийся по волноводу, и, когда магнитное поле импульса взаимодействует с полем, создаваемым магнитом поплавка, возникает “скручивание” чувствительного элемента. При этом создается ультразвуковая волна, время распространения которой измеряется электроникой уровнемера.

Магнитострикционные уровнемеры отличаются низкой погрешностью измерений (±1 мм). Одним уровнемером можно измерять как уровень, так и уровень границы раздела сред, а также измерять температуру процесса в одной или нескольких точках.

Магнитострикционный уровнемер измеряет положение поплавка, таким образом, изменение плотности измеряемой среды вызовет повышенную погрешность измерения. Поскольку поплавки соприкасаются с измеряемой средой, они могут потерять подвижность, и подвергаются коррозии. Уровнемеры для больших диапазонов измерения (более 3 м) могут быть выведены из строя турбулентной поверхностью или из-за ошибок в монтаже. Кроме того, магнит поплавка притягивает все металлические частицы, содержащиеся в жидкости, что изменяет свойства поплавка.

Поплавковые и буйковые сигнализаторы уровня

– дискретный контроль уровня

14.1 Принцип действия

Поплавковый сигнализатор уровня обычно монтируется на боковой стенке резервуара или в выносной камере и срабатывает, когда поплавок всплывает под действием жидкости, достигающей заданного уровня сигнализации. С поплавком конструктивно связан постоянный магнит, который взаимодействует со вторым постоянным магнитом в корпусе сигнализатора. Конструкция не содержит уплотнений, так как магниты взаимодействуют через стенку корпуса сигнализатора.

Эти простые электромеханические приборы практически безотказны и обеспечивают надежное срабатывание при контроле верхнего или нижнего уровня. Такие сигнализаторы имеют множество исполнений и можно подобрать модель, подходящую к практически любому технологическому присоединению, любому технологическому процессу и любой прикладной задаче.

В тех случаях, когда контролируемые уровни находятся значительно ниже точки монтажа сигнализатора, можно использовать буйковый сигнализатор, принцип действия которого аналогичен принципу действия буйкового уровнемера. Подпружиненный буек на тросе размещается на требуемом уровне.

Буек оказывает нагрузку определённой величины на подвес и пружину. Когда буек погружается в жидкость, сила, действующая на пружину уменьшается, рабочий постоянный магнит поднимается, взаимодействуя со вторым постоянным магнитом в корпусе сигнализатора. Буйковые сигнализаторы часто используются в процессах с очень высокими давлениями и с жидкостями, имеющими низкую плотность.

Рис. 14.1. Примеры монтажа поплавковых сигнализаторов

Благодаря простой конструкции с небольшим количеством элементов, поплавковые и буйковые сигнализаторы очень надежны и просты в обслуживании. Они выдерживают условия процессов с высокими давлениями и температурами, а разнообразие материалов смачиваемых частей позволяет применять сигнализаторы практически в любых жидкостях.

Поплавковые и буйковые сигнализаторы являются простыми пассивными устройствами, не имеющими функций самодиагностики, поэтому рекомендуется осуществлять регулярный контроль их состояния и техническое обслуживание. Подвижные части таких сигнализаторов подвержены загрязнению липкими или вязкими жидкостями.

Изготавливается из металлического, обычно алюминиевого профиля прямоугольной формы. Подходит для всех типов работ. Основное преимущество — жёсткость корпуса.

Имеет облегченный корпус в форме рельса. Подходит для всех типов работ. Основное преимущество — малый вес.

Имеет небольшой пластиковый корпус, чаще всего длиной Одна из сторон снабжена постоянными магнитами для возможности закрепления на металлических ферромагнитных (например, стальных) поверхностях. Подходит для бытовых работ. Основное преимущество — маленькие размеры.

Уровень с дополнительной площадкой для возможности нанесения ударов молотком. Подходит для работ по укладке керамической плитки. Основное преимущество — прочный корпус, возможность нанесения ударов.

Датчики давления

5.1 Принцип измерений

Датчики давления – это наиболее распространенная технология измерения уровня жидкости. Они имеют несложную конструкцию, отличаются простотой монтажа и эксплуатации, и работают в самых разных применениях и в широком диапазоне условий технологических процессов.

Если измерение уровня осуществляется в открытом/вентилируемом резервуаре, то может использоваться один датчик избыточного гидростатического давления (GP) или датчик дифференциального (перепада) давления (DP). Если резервуар закрыт или находится под давлением, то для компенсации давления в резервуаре должен измеряться перепад давления.

В дополнение к основным измерениям уровня датчики перепада давления могут быть настроены для измерения плотности или уровня границы раздела сред.

Измерение уровня в открытом резервуаре

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

Гидростатическое давление = Высота x 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 расчта высоты. Если единицы измерения давления не соответствуют единицам измерения длины, то необходимо провести преобразование единиц измерения (1 м вд.ст. = 0,1 кг/см2).

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.

Рис. 5.1. Датчик перепада давления (DP)

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 далений на отборах (дифференциальное давление) используется для определения уровня.

Уровень = Дифференциальное давление / Удельный вес

В целом, датчики давления являются экономичным, простым в эксплуатации и хорошо изученным решением. В дополнение к этому, датчики давления могут применяться практически в любых резервуарах и любыми жидкостями, включая суспензии, и могут работать в широком диапазоне давлений и температур, а так же при наличии пены и неспокойной поверхности.

На погрешность измерения уровня датчиками давления может повлиять изменение плотности жидкости. При работе с вязкими, коррозионно активными или иными агрессивными жидкостями необходимо соблюдать особые меры предосторожности. Кроме того, некоторые среды (например, целлюлозная масса) имеют тенденцию к затвердеванию по мере роста концентрации. Датчики давления 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 Закрытые каппилярные системы смягчают воздействие некоторых из этих факторов и могут быть выбраны для снижения дополнительной погрешности.

Измерительные системы с электронными выностными мембранами могут еще больше снизить погрешность, связанную с изменением температуры, так как импульсные линии в них заменены на цифровые линии связи. Но системы с электронными выносными мембранами разработанны для применения на высоких резервуарах с низкми и средними значениями статического давления.

Буйковый уровнемер

7.1 Принцип измерения

Буйковый уровнемер устанавливается на крыше резервуара или чаще, в выносной камере, сообщающейся с резервуаром через отборы с отсечными вентилями. Конструктивно уровнемер состоит из буйка, установленного на подвесе, соединенного с торсионным валом или подвешенного на подпружиненный подвес, который соединяется с электронным преобразователем уровнемера или сигнализатора. Буек выполнен таким образом, чтобы быть тяжелее жидкости, в которой он будет работать, таким образом, даже при полном погружении буйка в жидкость, на подвес воздействует сила тяжести.

При повышении уровня жидкости в резервуаре, буек глубже погружается в среду. На буек воздействует выталкивающая сила, пропорциональная весу жидкости, вытесненной буйком (закон Архимеда). Уменьшение веса буйка воспринимается электронным преобразователем уровнемера, и, поскольку вес буйка пропорционален уровню жидкости, блок электроники уровнемера может рассчитать уровень жидкости.

Рис. 7.1. Общий вид буйкового уровнемера

Парк установленных буйковых уровнемеров и сигнализаторов огромен, и они, при условии, что техническое обслуживание и калибровка выполняются регулярно, безотказно работают в течение многих лет. Эти приборы получили широкое распространение благодаря способности работать при выскоих значениях давления и температуры процесса, а также возможности измерения уровня границы раздела жидкостей даже при наличии эмульсионных слоев между ними, что позволяет осуществлять измерение уровня в тяжелых условиях эксплуатации.

Погрешность измерения уровня зависит от правильности калибровки прибора для рабочих условиий эксплуатации. Если рабочие параметры изменятся, то измерение уровня будет проводиться с повышенной погрешностью.

Буйковые уровнемеры с торсионным подвесом особенно требовательны к периодическому техническому обслуживанию и к корректной калибровке. Кроме того подобные уровнемеры могут быть повреждены в условиях резких перепадов уровня.

Применение буйковых уровнемеров на диапазонах измерений более 5 м считается нецелесообразным, в основном из-за сложности монтажа

Где используются гидростатические уровнемеры

Гидростатические датчики контроля уровня имеют простую конструкцию, отличаются невысокой стоимостью и надежностью работы. Широкий модельный ряд позволяет использовать их в любых отраслях, связанных с жидкими средами и в которых необходимы следующие работы:

• Контроль уровня жидкости в любых открытых/закрытых резервуарах.
• Мониторинг запасов подземных вод.
• Вычисление гидрогеодинамической обстановки.
• Расчет расходов сточных вод в стандартных водосливах.
• Контроль уровня различных водоемов/бассейнов, озер, рек.
• Контроль в пищевой промышленности (молоко, вода и т.д.).
• Прогнозирование чрезвычайных ситуаций, вызываемых гидрологическими явлениями (расчет морского волнения и т.п.).

Буйковый уровнемерПравить

Индикатор уровня работает 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.

Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием. Увеличивая уровень на Н от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъём буйка на х, причём при его подъёме увеличивается осадка, т.е. х < h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причём изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h – х):
хс = (h — х)ρ жgF – (h- х)ρ гgF,
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:
x = h/(1 + с/((ρ ж – ρ г)gF)).
Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причём чувствительность его может быть изменена за счет увеличения F или уменьшения жесткости подвески с.
При большой жесткости подвески буек перемещаться не будет, однако при изменении уровня изменится усилие, с которым он действует на подвеску. В этом случае при увеличении уровня на h изменение усилия равно hF(ρ ж – ρ г)g. Такой принцип используется, например, в буйковых уровнемерах типов Сапфир-22ДУ, УБ-Э, ПИУП (ранее УБ-П). Последние уровнемеры снабжены преобразователями с силовой компенсацией (УБ-Э) с унифицированным токовым выходным сигналом, УБ-П и ПИУП с унифицированным пневматическим выходным сигналом).