Статья в информационном бюллетене BD Sensors RUS, март 2011г
Полный текст статьи (1.46M)
Каким бы простым ни казался метод гидростатического измерения уровня, тем не менее, существуют некоторые особенности при выборе прибора, при установке и условиях дальнейшей эксплуатации которые необходимо учитывать.
В основе действия гидростатических датчиков уровня лежит закон пропорциональности между высотой столба жидкости и гидростатическим давлением этого столба:P = ρ*g*h,где P – гидростатическое давление столба жидкости, g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения, ρ – плотность жидкости.
Особенности монтажа, выбора и применения
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.
Гидростатические датчики уровня – датчики избыточного давления, которым необходима связь сенсора с атмосферой. У датчиков избыточного давления измеряемая среда (Pср) и атмосферное давление(Pатм бак) действуют с одной стороны чувствительного элемента и только атмосферное давление (Pатм) – с другой. Для открытых ёмкостей, Pатм= Pатм бак. Таким образом, атмосферное давление в баке компенсируется атмосферным давлением вне его и датчик измеряет только давление среды.
Для измерения уровня в полностью закрытых емкостях, где создаётся избыточное давление (Р изб.) между крышкой емкости и жидкостью, наиболее оптимальным будет применение гидростатических датчиков дифференциального давления. В этом случае, с помощью специального капилляра необходимо связывать датчик дифференциального давления с областью избыточного давления емкости.
Для подачи атмосферного давления в корпус погружного датчика уровня применяется специальный кабель, который помимо сигнальных линий несет еще и полую трубку, защищенную на обратном конце воздухопроницаемым, но водонепроницаемым фильтром. Корпус погружного датчика воздухопроницаем и должен быть водонепроницаем (степень пылевлагозащиты IP 68).
Длина кабеля должна быть больше максимального уровня жидкости в емкости. Так как в гидростатических датчиках уровня используется специальный кабель, то цена кабеля в цене датчика может быть очень существенна. При некоторых условиях можно уменьшить конечную стоимость прибора уменьшив длину кабеля. Для этого надо знать минимальный и максимальный уровень жидкости в емкости. Как только специальный кабель выведен в атмосферу, сигнал можно передавать далее и обычным кабелем. Технически, переход со специального кабеля в обычный реализуется с помощью клеммной коробки. В случае, когда в емкости всегда есть какой-то минимальный уровень, ниже которого измеряемая среда не опускается, прибор можно установить на фиксированной высоте и уровень учитывать как показания уровнемера плюс высота столба жидкости под ним.
При монтаже гидростатических уровнемеров, чтобы избежать влияния повышенного давления при закачивании жидкости, так как струя насоса может создавать область повышенного давления, датчики надо устанавливать на максимальном удалении от источника турбулентности. С помощью гидростатического датчика уровня жидкости можно измерять объём. Для цилиндрических и параллелепипедообразных емкостей используют формулу V=S*h, где V – объём, S – площадь основания, h – высота. Для емкостей в форме усеченного конуса V=π(h23-h13)/3tg2a. Для ёмкостей сложных конфигураций емкость необходимо “разделить” на части и рассчитывать по формулам для параллепипеда, цилиндра и конуса. Для горизонтально расположенных цилиндрических емкостей рекомендуется использовать BD Sensors RUS DMD 331-A-S, который позволяет калибровать выходной сигнал по табличным значениям, то есть достаточно точно учитывать кривизну емкости.
Измерение уровня в различных средах
Для измерения гидростатическими датчиками уровня сред неагрессивных к нержавеющей стали, наиболее оптимальны по соотношению цена/решение задачи – уровнемеры с корпусом из нержавеющей стали, керамическим тензорезистивным сенсором с открытой или защищенной мембраной из нержавеющей стали. Открытая мембрана из нержавеющей стали подходит для случаев измерения загрязненной среды, но без включений могущих повредить мембрану.
Мембрана, закрытая защитным колпачком в таких средах быстро забивается отложениями и прибор начинает выдавать некорректные значения, поэтому, при выборе датчика с защищенной мембраной надо понимать уровень загрязнения среды, то есть частоту, с которой придется очищать мембрану. Это в свою очередь так же нежелательно, так как повышает риск повреждения мембраны при механической очистке. Другими словами, защищенную мембрану имеет смысл использовать для работы в средах с включениями крупнее технологических отверстий в колпачке предназначенных для доступа среды к мембране сенсора. Для сред с включениями могущими повредить мембрану, или сильно загрязненными, лучше использовать приборы с керамической мембраной.
Измерение уровня в агрессивных средах обуславливает исполнение мембраны, корпуса и уплотнения из специальных материалов некорродирующих или слабо корродирующих в измеряемой среде. Сегодня у BD Sensors RUS существуют решения для большинства использующихся в промышленности кислот, щелочей, растворов солей (например, раствора гипохлорита натрия), морской воды. Например,погружной датчик уровня жидкости BD Sensors RUS LMK 858 с керамической мембраной, корпусом из PVDF, уплотнением из EPDM и кабелем с тефлоновым покрытием гарантированно “держит” серную кислоту концентрацией от 5 до 98% и температурой до 50°С.
Для погружных уровнемеров так же учитывают и материал, из которого изготовлен кабель. В уровнемерах БД Сенсорс РУС используются четыре типа кабеля: PVC – для воды и жидкостей на водной основе, PUR – для масел и маслообразных жидкостей, FEP – высокоагрессивных жидкостей (сильно концентрированных кислот и щелочей) и TPE для высокотемпературных сред до 125°С. При подборе уровнемера следует учитывать также и рабочую температуру измеряемой среды, так как высокие температуры могут выступать катализаторами или ускорять коррозию материалов, из которых изготовлен прибор. В каждом частном случае, под каждую агрессивную среду прибор подбирают по таблицам химической устойчивости веществ.
Сложность измерения уровня в пульпообразных, густых и абразивных средах обусловлена тем, что они требуют использовать мембрану незащищенную колпачком. В целом, оптимальным решением для таких сред являются приборы с керамическими мембранами, которые более устойчивы к абразивным средам и могут использоваться без защитных колпачков. Однако следует учитывать, что в общем случае, приборы с керамической мембраной предполагают большую погрешность по сравнению с металлической, а также не рекомендованы для использования в системах где возможны гидроудары.
Гидростатическая трансмиссия (ГСТ)
Гидростатическая трансмиссия (ГСТ) –это замкнутая гидросистема, которая состоит из одного либо нескольких гидронасосов и одного либо нескольких гидромоторов. Рассчитана на передачу механической энергии вращения от двигателя через насос к исполнительной конструкции (шнеку, колесу, бочке) посредством направления рабочей жидкости к бесступенчато регулируемому по размеру и направленности гидромотору.
Проще говоря: идёт передача энергии от двигателя к колесу, плавно и без рывков через гидравлическую систему “насос-мотор”.
Данная схема позволяет максимально использовать мощность двигателя для выполнения различных операция и одновременно сохранять заданную скорость перемещения и плавность хода.
Наиболее распространенные примеры применения ГСТ:
1. Самый простой пример применения ГСТ – использование ее на автобетоносмесителях. Насос работает от автономного двигателя или от раздаточной коробки и создает постоянное давление в гидросистеме. Скорость и направление вращения мотора, который установлен на бочке, задается регулятором потока, установленным на самом насосе. Управление может быть механическим или электрическим.
2. Привод ведущих колес на зерноуборочных комбайнах.
Гидромотор установлен на ведущем мосту, а скорость и направление – задается оператором из кабины. Данная схема позволила отказаться от ременного привода, механической КПП с сопутствующими вариаторами. Повысился КПД двигателя, который стал отдавать почти 100% своей мощности на молотильный аппарат в независимости от того по какому грунту передвигается комбайн, в горку он одет или под уклон. Так же благодаря применению ГСТ комбайны стали резе “закапываться” в вязких грунтах, так как гидравлика не дает возможности колесам провернуться – забуксовать, а сохраняет, пускай минимальный, крутящий момент, благодаря которому колеса с минимальной скоростью вращаются и вытягивают машину.
3. Применение ГСТ на бульдозерах и на гусеничной технике позволило снизить вес самих бульдозеров – отпадает необходимость в механических КПП с бортовыми фрикционами. Гидромоторы вращают бортовые редукторы, которые приводят в действие приводные шестерни.
Если необходимо сделать независимыми правый и левый приводные колеса, то поступают таким образом: каждый борт машины является независимой ГСТ, управление которой происходит электронным процессором, чтобы при движении вперед или назад два борта двигались прямолинейно.
Использование ГСТ на бульдозерах NewHolland, Liebherr, Komatsu.
Благодаря применению ГСТ на бульдозерах стало невозможно заглушить машину при медленном движении вперед и максимально опущенном отвале, как это было на бульдозерах с механической КПП. Гидравлика, вкупе с электроникой, не даст заглушить двигатель, а просто прекратят движение бульдозера. Оператор будет вынужден или увеличить скорость движения бульдозера, или поднять отвал повыше.
Гидростатические уровнемеры
Тема 3.3. Измерение уровня
В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами в химическом, нефтехимическом и нефтеперерабатывающем производствах, в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов, в системах экологического мониторинга и во многих других отраслях. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.
Классификация приборов для измерения уровня
Существует широкая номенклатура средств контроля и измерения уровня, использующих различные физические методы: поплавковый, буйковый, ёмкостный, гидростатического давления, ультразвуковой, радарный и др. Эти методы и средства позволяют контролировать уровень различных сред: жидких (чистых, загрязнённых), пульп, нефтепродуктов, сыпучих твёрдых различной дисперсности. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический), наличие мешалки, огнеопасность, взрывоопасность и другие.
Устройства для измерения уровня жидкостей можно подразделить на следующие:
– поплавковые, в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости;
– буйковые, в которых для измерения уровня используется массивное тело (буёк), частично погружаемое в жидкость;
– гидростатические, основанные на измерении гидростатического давления столба жидкости;
– электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости;
– ультразвуковые, основанные на принципе отражения от поверхности звуковых волн;
– радарные и волноводные, основанные на принципе отражения от поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ);
– радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости.
Помимо классификации уровнемеров по принципу действия, эти приборы делятся на:
– приборы для непрерывного слежения за уровнем;
– приборы для сигнализации о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня).
Уровнемеры непрерывного действия
Простейшим измерителем уровня жидкости служат указательные стекла (рис.3.23). Работа указательных стекол основана на принципе сообщающихся сосудов. 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. Указательные стёкла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы.
В арматуру указательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закрывающие каналы в головках при случайной поломке стекла.
Существуют указательные стекла проходящего (рис.3.23, а) и отраженного света (рис.3.23, б). Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300 °С.
Рис.3.23. Указательные стёкла: а – проходящего света; б – отраженного света; в – составного типа
Указательные стекла не рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол (рис.3.23, в) так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.
Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рис.3.24, а) обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80 – 100 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем П угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы.
Рис. 3.24. Поплавковые уровнемеры: а – узкого диапазона; б – широкого диапазона
Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рис.3.294, б) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок — противовес» только при определенной глубине погружения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние равновесия системы «поплавок — противовес» описывается уравнением:
где GГ, GП – силы тяжести противовеса и поплавка; S-площадь поплавка; h1 -глубина погружения поплавка; ρж – плотность жидкости.
Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство (3.3.1) нарушается и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h1. При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h1.
В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Он гласит, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила F, пропорциональная весу вытесненной им жидкости. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрических буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Зачастую буек выполнен в виде трубы из нержавеющей стали длиной Hб, запаянной с обеих сторон, к одному из концов которой приделан крючок. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. Длина буйка Hб подбирается приближенной к максимальному измеряемому уровню в аппарате.
При изменении уровня жидкости в аппарате согласно закону Архимеда вес буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Выталкивающая сила, действующая на буек, равна:
где ρ – плотность измеряемой жидкости; g – ускорение свободного падения; Vж – объем вытесненной буйком жидкости; S – площадь поперечного сечения буйка; h – длина буйка, погруженного в жидкость.
Измерительная схема буйкового уровнемера приведена на рис. 3.25. Уровнемер работает следующим образом. Когда уровень жидкости в аппарате равен или меньше начального h0 (величина h0 называется зоной 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.
сигналом уровнемера. Движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной нулю.
Герметизация технологического аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной мембраной 6. При необходимости буек может быть установлен в выносной камере, располагаемой вне технологического аппарата.
Минимальный верхний предел измерений буйковых уровнемеров – 0,025 м, максимальный – 16 м. Значение верхнего предела измерений приборов должно выбираться из ряда: 250; 400; 600; 1000; 1600; 2500; 4000; 6000; 8000; 10000 мм, хотя по согласованию с заказчиком длина буйка может быть выполнена индивидуально.
Данный метод измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического давления на дно резервуара Рг зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором h и от плотности жидкости ρ, т.е.
, где g=9,81 м/с2 (это справедливо только для неподвижных жидкостей).
Измерение гидростатического давления может осуществляться:
– датчиком избыточного давления (манометром), подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;
– дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;
– измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние (пьезометрический метод).
На рис. 3.26 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления (манометром). Применяемый для этих целей датчик ДИ может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью
Рис.3.26. Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления
При измерении уровня данным способом имеют место погрешности измерения, определяемые классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости, а также колебаниями атмосферного давления. Если сосуд находится под избыточным давлением, данная измерительная схема непригодна, т.к. к гидростатическому давлению прибавляется избыточное давление над поверхностью жидкости, не учитываемое данной измерительной схемой.
Более широкое применение получили схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). Эти схемы используются для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под избыточным
давлением. С дифференциальных датчиков давления возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела жидкостей.
Его работа основана на принципе гидравлического затвора. Пьезометрическая трубка П размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Для измерения уровня используют воздух или инертный газ под давлением Pп, который продувают через слой жидкости. Газ поступает в трубку через дроссель Д, служащий для ограничения расхода. Давление P газа после дросселя измеряется дифманометром ДД.
При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока не станет равным давлению столба жидкости высотой H плюс давление над жидкостью Pизб (если имеется). Когда давление в трубке станет равным сумме этих давлений, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно один пузырек в секунду).
Рис.3.28. Пьезометрический уровнемер
Уровень жидкости определяется по установившемуся давлению
где Pизб – избыточное давление в аппарате (в частном случае
В случае измерения уровня в сосудах, заполненных агрессивными жидкостями и газами (рис.3.33, б) обязателен непрерывный подвод воздуха или инертного газа в обе линии, подсоединяемые к дифференциальному манометру. Для наблюдения за непрерывностью на каждой линии устанавливают стеклянные контрольные сосуды КС с водяным затвором, по которому видно движение воздуха, или ротаметры. Количество подводимого воздуха устанавливают регулирующими вентилями РВ.
В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Наиболее распространены емкостные и омические уровнемеры.
Работа емкостных уровнемеров основана на том, что диэлектрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.
где D и d – наружный и внутренний диаметр труб преобразователя, Н – высота емкости; h – измеряемый уровень.
При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.
Омические уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис.3.30, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис.3.30, б) их требуется уже по два.
Рис.3.30. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней
В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости).
Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.
Уровнемеры с радиоизотопными излучателями делятся на две группы:
1) со следящей системой, для непрерывного измерения уровня;
2) сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения.
Принципиальная схема следящего уровнемера приведена на рис.3.31. Действие прибора основано на сравнении интенсивностей потоков γ – лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Комплект прибора состоит из трех блоков:
1) преобразователя, содержащего источник и приемник излучения;
2) электронного блока;
3) показывающего прибора.
Преобразователь на фланцах 4 присоединен к вертикальным трубкам 2, установленным внутри объекта измерения. Расположенный в герметичном корпусе преобразователя реверсивный двигатель 6 через червячную передачу 7 вращает барабан 8, на котором укреплена стальная лента 3. На концах ленты свободно висят источник излучения 1 и приемник излучения 13. Электрический сигнал от приемника излучения через гибкий кабель 11 передается на электронный блок. При перемещении приемника кабель фиксируется в определенном положении при помощи ролика 14 с грузом. Лента 3 проходит через зубчатый ролик 9, на оси которого расположен первичный сельсин 10.
Рис.3.31. Радиоизотопный уровнемер
Вторичный сельсин находится в показывающем приборе. Ось вторичного сельсина через редуктор связана со стрелками показывающего прибора 12, который имеет две шкалы, градуированные в метрах и сантиметрах. В показывающем приборе имеется преобразователь, преобразующий угловое перемещение оси вторичного сельсина, пропорциональное положению уровня, в стандартный пневматический сигнал. Стандартная индукционная катушка служит для связи с вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы.
Для обеспечения радиационной защиты персонала при транспортировке, монтаже и ремонтных работах внутри объекта измерения источник излучения перемешается автоматически в свинцовый контейнер 5. Отверстие в
контейнере при этом закрывается свинцовой пробкой 15, жестко связанной с источником. Диапазон измерения уровня прибором до 10 м, основная погрешность измерения не превышает 1 см.
Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесообразно там, где другие методы измерения непригодны.
Ультразвуковые уровнемеры (частота выше 20 КГц) позволяют измерять уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуковых волн от границы раздела «жидкость – газ (воздух)». На рис.3.32 показана измерительная схема ультразвукового уровнемера, работающего на отражении звука от границы раздела двух сред.
Прибор состоит из электронного блока (ЭБ), пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора. Электронный блок состоит из генератора 1, задающего частоту повторения импульсов, генератора импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4 и измерителя времени 5.
Генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в газовой среде, отражается от границы раздела «жидкость – воздух», возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель, и преобразуется в электрический сигнал. Оба импульса: посланный и отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель 4.
Рис.3.32. Измерительная схема ультразвукового уровнемера
Время τ между моментом посылки импульса и моментом поступления отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня, т. е.
где Нmax – максимальный измеряемый уровень; h – текущий уровень; с – скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.
Химические и физические свойства среды не влияют на результат измерения, полученный ультразвуковым методом, поэтому без проблем может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его распространения. Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют приблизительно 5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном влагой воздухе составляет около 2%.
Основные достоинства метода:
– применим для загрязнённых жидкостей;
– реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;
– независимость от плотности контролируемой среды.
– большое расхождение конуса излучения;
– отражения от нестационарных препятствий (например, мешалок) могут вызвать ошибки измерения;
– применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;
– на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.
Микроволновый бесконтактный метод, в просторечии небезосновательно именуемый радарным, с одной стороны, обеспечивает минимальный контакт измерительного устройства с контролируемой средой, а с другой стороны – практически полностью нечувствителен к изменению её температуры и давления. Причем и температура, и давление могут иметь значения, недопустимые для применения других методов, в первую очередь, контактных.
При всех существующих различиях общим остается принцип действия: излучённый СВЧ – сигнал отражается от контролируемого объекта, принимается обратно и соответствующим образом обрабатывается (рис.3.33). Результатом обработки является значение того или иного параметра объекта: дальность, скорость, направление движения и т.д. Вне зависимости от используемого принципа в радарных уровнемерах применяются СВЧ – сигналы с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц.
В настоящее время в радарных системах контроля уровня применяются преимущественно две технологии: с непрерывным частотно – модулированным излучением (FMCW – frequency modulated continuous wave) и импульсным излучением сигнала.
Технология FMCW реализует косвенный метод измерения расстояния. Уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изменяется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f0 и f1. Отраженный от поверхности контролируемой среды (жидкость, сыпучий материал) сигнал принимается той же антенной и обрабатывается. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени. Значение разности частот (Δf) прямо пропорционально расстоянию до поверхности (l).
Рис.3.33. Схема измерения уровня радарным уровнемером
Идеальными для уровнемера FMCW являются условия, когда поверхность контролируемой среды имеет достаточно большую площадь, на ней отсутствуют какие-либо возмущения, а сам резервуар полностью свободен от каких-либо внутренних конструктивных элементов. Однако реальные условия разительно отличаются от идеальных и привносят дополнительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразитных эхо-сигналов от элементов конструкции, неровностей поверхности (особенно при контроле сыпучих материалов) и т.п.
Кроме того, приём и передача сигнала осуществляются одновременно. В результате на входе приёмника уровнемера присутствует сложная смесь сигналов с очень большим разбросом по амплитуде. Для выделения частот эхо-сигналов применяется алгоритм, основанный на методе быстрого преобразования Фурье.
Для его реализации требуются значительные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Выделять полезный эхо-сигнал и игнорировать остальные позволяет специальное программное обеспечение, установленное на сервисном компьютере или встроенное в уровнемер.
В радарах импульсного типа используется метод определения расстояния, основанный на непосредственном измерении времени прохождения СВЧ – импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно. В результате для отраженного сигнала применение процедуры быстрого преобразования Фурье не требуется. Однако время прохождения сигналом дистанции в несколько метров составляет всего единицы наносекунд. Поэтому для обеспечения измерения столь малых значений с требуемой точностью все-таки требуется применение специальных методов обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧ – сигнала в сигнал промежуточной частоты ультразвукового диапазона. Радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, использующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы вне зависимости от природы их источника разнесены во времени, что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее энергопотребление импульсных уровнемеров составляет единицы мкВт (пиковая мощность при излучении СВЧ-импульса составляет около 1 мВт), что позволяет использовать для их подключения двухпроводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным токовым сигналом 4-20 мА; в приборах, работающих по технологии FMCW, энергопотребление существенно выше из-за непрерывного характера излучения, а также постоянно выполняемой математической обработки эхо-сигнала. И, в- третьих, в импульсных уровнемерах электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще, а сама обработка выполняется исключительно аппаратными средствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих надёжность прибора получается потенциально выше.
Конструкция одного из типов радарного уровнемера представлена на рис.3.34. Одним из самых важных элементов радарного уровнемера является его антенная система. Именно от антенны зависит, какая часть излучённого сигнала достигнет поверхности контролируемого материала и какая часть отражённого сигнала будет принята и передана на вход электронного блока для последующей обработки. В радарных системах контроля уровня преимущественно используются антенны пяти типов: рупорная; стержневая; трубчатая; параболическая; планарная.
Рис.3.34. Конструкция радарного уровнемера
Рис.3.40. Типы антенн радарных уровнемеров
Стержневая и рупорная антенны (рис.3.35, а, б) наиболее широко используются в составе приборов, предназначенных для контроля уровня в технологических установках. Трубчатые антенны (рис. 3.35, в) применяются в тех случаях, когда выполнение измерения посредством рупорной или стержневой антенны связано с очень большими трудностями или просто невозможно, например, при наличии пены, сильного испарения или высокой турбулентности контролируемой жидкости.
Параболические и планарные антенны (рис.3.35, г, д) используются исключительно в составе систем коммерческого учета нефтепродуктов.
При контроле уровня в закрытых емкостях, а это
наиболее частое применение радарных уровнемеров, антенна, находясь внутри резервуара, подвергается воздействию всех неблагоприятных факторов, которые там только могут присутствовать.
К ним относятся и высокое давление, и высокая температура, и агрессивные испарения, и пыль, и т.д. Безусловно, конструкция антенны и материалы, используемые для ее изготовления, должны всему этому успешно противостоять. Кроме того, конструкция самих резервуаров отличается огромным разнообразием и потому способна создать массу проблем при установке уровнемера.
Данный тип уровнемеров относится к уровнемерам контактного типа. Принцип действия волноводного уровнемера основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением TDR (Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить (рис.3.36). Когда радиоимпульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической проницаемости, отличной от проницаемости газа над поверхностью среды, то из-за разности коэффициентов диэлектрических проницаемостей происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения уровня, поскольку радиоимпульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению.
Рис.3.36. Схема измерения уровня волноводным уровнемером
Поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими горловинами. В случае необходимости съемная голова датчика позволяет заменять модуль электроники, не нарушая герметичности резервуара, что может быть важно при измерении уровня сжиженных газов и аммиака.
Волноводный уровнемер (рис.3.37) включает следующие основные элементы: корпус, электронный модуль, фланцевое или резьбовое соединение с резервуаром и зонд. Корпус уровнемера, состоящий из двух независимых отсеков (отсек электроники и клеммный отсек для подключения кабелей), может быть снят с зонда, при этом открывать резервуар не требуется. Кроме того, корпус такой конструкции повышает надежность и безопасность уровнемера при эксплуатации в опасных производствах. Электронный модуль излучает электромагнитные импульсы, которые распространяются по зонду, выполняет обработку отраженного (принятого) сигнала и выдает информацию в виде аналогового или цифрового сигнала на встроенный жидкокристаллический индикатор или в систему измерения.
Рис.3.37. Волноводный уровнемер
В зависимости от условий технологического процесса используется один из пяти типов зондов: коаксиальный, жесткий двухстержневой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный и гибкий однопроводный. Выбор зонда обусловливается свойствами среды (плотность, вязкость, агрессивность), уровень которой необходимо измерить.
Коаксиальный зонд (рис.3.38, а) – оптимальное решение для измерения уровня внешней поверхности и уровня раздела двух жидкостей, например, растворителей, спиртов, водных растворов, сжиженных газов и жидкого аммиака. Коаксиальный зонд обеспечивает самое высокое отношение сигнал/шум. Рекомендуется для измерения уровня жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью, а также для измерений в условиях турбулентности, в присутствии пены или потоков жидкости или пара вблизи зонда (оболочка коаксиального зонда работает как успокоительный колодец).
Рис.3.38. Типы зондов волноводных уровнемеров: а) коаксиальный; б) жесткий двухстержневой; в) гибкий двухпроводный; г) жесткий одностержневой; д) гибкий однопроводный
Он может использоваться в условиях электромагнитных помех, допускается контакт зонда с металлическими конструкциями. Не рекомендуется для сред, склонных к кристаллизации или налипанию, а также для порошков. Максимальный диапазон измерений при использовании коаксиального зонда составляет 6 м.
Двухстержневой жесткий (рис.3.38, б) или двухпроводной гибкий (рис.3.38, в) зонды рекомендуются при измерении уровня жидкостей (нефтепродукты, растворители, водные растворы и т.п.). Возможно применение для измерения уровня и раздела жидких сред. Могут применяться с более вязкими жидкостями, чем рекомендовано для коаксиального зонда, однако не следует применять этот зонд для липких продуктов, когда существует вероятность налипания и образования перемычек между двумя стержнями или проводами зонда. Двухстержневой зонд с жесткими стержнями подходит для измерений в диапазоне до 3 м. Для гибкого двухпроводного зонда диапазон измерений до 23,5 м.
Одностержневой жесткий (рис.3.38, г) или однопроводной гибкий (рис.3.38, д) зонды менее восприимчивы к налипанию среды и образованию наростов. Они могут применяться для вязких жидкостей, взвесей, водных растворов и алкогольных напитков, а также использоваться для санитарных целей в пищевой и фармацевтической промышленности. Можно использовать для измерения уровня твердых частиц, гранул и порошков, например, зерна, песка, сажи и т.п. Применяются для измерения уровня вязких жидкостей, например, сиропа, меда и т.п., а также водных растворов. Одностержневой зонд рекомендуется для измерений в диапазоне до 3 м, а однопроводный гибкий – до 23,5 м.
Концевые выключатели предельного уровня (сигнализаторы уровня) формируют выходной сигнал в тех случаях, когда уровень контролируемого материала достигает, поднимается выше или опускается ниже определенного уровня, заданного относительно высоты установки датчика. При- мерами могут служить: защита от переполнения, защита оборудования от режима «сухого хода», проверка минимального и максимального уровней заполнения резервуаров. Для определения предельного уровня существуют следующие средства контроля: поплавковые выключатели, концевые выключатели с вибрирующим чувствительным элементом, кондуктометрические выключатели, ёмкостные зонды, погружные магнитные зонды.
Поиск по сайту:
Главная
О нас
Популярное
ТОП
Новые страницы
Случайная страница
Изречения для студентов
Пожаловаться на материал
Обратная связь
FAQ
