18. Технические средства измерения и контроля уровня среды

Общие сведения

1 Визуальные средства измерений уровня

2 Поплавковые средства измерений уровня

3 Буйковые средства измерений уровня

4 Гидростатические средства измерений уровня

5 Электрические средства измерений уровня

6 Акустические средства измерений уровня

7 Ультразвуковые средства измерений уровня

8 Радарные средства измерений уровня

9 Измерения уровня с помощью магнитных погружных зондов

10 Вибрационные сигнализаторы уровня

Общие сведения???

Визуальные средства измерений уровня

Поплавковые средства измерений уровня

Гидростатические средства измерений уровня

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности ?, согласно равенству:

Измерение гидростатического давления осуществляется:

·                 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.

На рисунке 7.5, а приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений, определяемыми зависимостью (7.10). Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по схеме, приведенной на рисунке 7.5, б. Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему.

Рисунок 7.5 — Схемы измерения уровня манометрами

В нижней части  манометрической системы расположен колокол 2, отверстие которого перекрыто тонкой эластичной мембраной 1, а в верхней — манометр 3. Применение эластичной мембраны исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение уровня из-за упругости мембраны. Преимуществом данной схемы измерения гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположения относительно уровня жидкости в резервуаре.

При измерении уровня по рассмотренным схемам имеют место погрешности измерения, определяемые классом точности манометров и изменениями плотности жидкости.

Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений.

В тех случаях, когда манометрический способ измерения уровня оказывается неэффективным, применяются дифференциальные манометры. С помощью дифференциальных манометров возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей.

В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяют различные типы дифманометров. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний уровня, применяют дифманометры с непосредственным отсчетным устройством. Эти дифманометры могут быть снабжены контактным устройством для сигнализации предельных значений уровня. Для дистанционного измерения уровня могут быть использованы дифманометры с электрическим (или пневматическим) унифицированным выходным сигналом переменного или постоянного тока в комплекте с соответствующим вторичным прибором, либо аналоговым модулем для автоматического регулирования и контроля измеряемого параметра.

Поскольку жидкость, уровень которой необходимо измерять, может находиться под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, то это учитывается при выборе типа и модели дифманометра, так как они выпускаются на различное предельно допускаемое рабочее избыточное давление. Предельный номинальный перепад давления дифманометра выбирается в зависимости от диапазона измерения уровня. Кроме того, для присоединения дифманометра к баку или другому устройству применяют различные типы уравнительных сосудов.

Предельные номинальные перепады давления (или сумма предельных номинальных перепадов давления) дифманометров — уровнемеров должны соответствовать верхним пределам измерений (или сумме абсолютных значений пределов измерений с учетом плотности жидкости) уровень которой измеряют. Если дифманометры работают с разделительными сосудами, то необходимо также учитывать плотность разделительной жидкости.

Рассмотрим мембранный дифманометр, который представляет собой устройство снабженное унифицированным линейным дифференциально - трансформаторным преобразователем, схема которого показана в упрощенном виде на рисунке 7.6. Чувствительным элементом прибора является мембранный блок, состоящий из верхней и нижней мембранных коробок 3, и закрепленных на основании 2. Основание с верхней и нижней крышками корпуса прибора образует две камеры: нижнюю — «плюсовую» и верхнюю «минусовую». внутренние полости мембранных коробок, заполненные дистиллированной водой, сообщаются через отверстие в перегородке.

Рисунок 7.6 — Мембранный дифманометр

С центром мембраны верхней коробки с помощью немагнитного штока связан сердечник 4 дифференциально — трансформаторного преобразователя 5. Сердечник находится внутри разделительной трубки 6, изготовленной из немагнитной нержавеющей стали.

В дифманометре предусмотрено устройство, которое позволяет перемещать катушку дифтрансформатора вдоль разделительной трубки для первоначальной корректировки нулевого значения выходного параметра. Во время эксплуатации дифманометра корректировка нуля производится корректором нуля вторичного прибора.

Давления Р1 и Р2 к камерам дифманометра   подводятся  через  два    запорных  вентиля,     расположенных  на   вертикальных трубках. Для сообщения между собой плюсовой и минусовой камер служит уравнительный вентиль, расположенный ниже запорных вентилей. Уравнительный вентиль служит для принудительного создания нулевого перепада давлений в обоих камерах при корректировке (установки нуля) вторичного прибора в процессе эксплуатации устройства. Под воздействием разности давлений Р1-Р2 нижняя мембранная коробка сжимается, жидкость из неё перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с ней и сердечника дифференциально — трансформаторного преобразователя. Это перемещение приводит к изменению взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками преобразователя, а значит и к изменению напряжения на выходе пропорционально измеряемому перепаду давления.

Принципиальная электрическая схема дифтрансформатора с плунжерной катушки датчика приведена на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 — Электрическая схема дифтрансформатора  плунжерной катушки

Первичные обмотки (I) датчика и прибора соединены последовательно, на них подается напряжение. Две вторичные обмотки датчика соединены последовательно встречно, поэтому напряжение на обмотке (II) будет равно разности напряжений этих двух обмоток. Если плунжер находится в среднем положении, напряжение на обоих вторичных обмотках одинаково, и разность их напряжений равна нулю. При перемещении плунжера вверх, на верхней обмотке будет индуцироваться  напряжение больше, чем на нижней и на выводах 3 и 4 появится некоторое напряжение, фаза которого будет совпадать с фазой верхней вторичной обмоткой.

При опускании плунжера вниз (от его среднего положения) тоже будет происходить увеличение напряжения на обмотке (II), но фаза напряжения при этом поменяется на обратную.

Датчик (дифманометр) 1 через импульсные трубки 2 (рисунок. 7.8) подключен к ёмкости с водой, находящейся под давлением. Импульсные трубки в верхней и нижней части имеют запорные вентили 4. Импульсная трубка нижней камеры (плюс) подключена к верхней части сосуда через уравнительный бачок 3, которая заполнена доверху водой. Импульсная трубка верхней камеры (минус) подключена к нижней части сосуда и тоже заполнена водой. Уравнительный сосуд 3 применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h₁ в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде должен быть постоянным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде 3.

Рисунок 7.8 — Схема включения дифференциального манометра

Фактическое давление на мембрану датчика будет оказывать давление воды, показанное в формуле:

или

?P действующий перепад давлений на мембрану датчика, h_max — постоянный (неизменяемый) столб воды «плюсовой» камеры; h — изменяющийся уровень в баке «минусовая» камера

Из формулы и рисунка 7.8 нетрудно увидеть, что при полном баке, то есть, когда «h_max» и «h» одинаковы, на мембрану «давят» два одинаковых по высоте столба воды. В этом случае мембрана не деформируется и находится в состоянии покоя, потому, что  перепад давлений равен нулю:

     а плунжер в свою очередь занимает в катушке исходное положение.

Когда же бак пустой (h = 0), то на мембрану датчика будет воздействовать только столб воды «h_max» (напомним: h_max — постоянная величина давления для «плюсовой» камеры):

При этом мембрана, а значит и плунжер, займет свое положение, соответствующее максимальному перепаду давлений (нулевой уровень).

В гидростатических сигнализаторах — концевых выключателях HR-0211 фирмы PEPPERL+FUCHS (рисунок 7.9) используются различные способы подключения к измерительной системе; существуют модификации датчиков из нержавеющей стали и пластика.

Основные технические характеристики гидростатических сигнализаторов серии HR-0211:

напряжение питания — 250 В (макс.) переменного тока (50 Гц);

максимальный ток нагрузки — 6 А;

тип коммутационного устройства — переключающий;

допустимая температура окружающей среды —20…+700С;

степень защиты (исполнение) — IP54.

Рисунок 7.9 — Гидростатический концевой выключатель HR-0211

Гидростатические зонды для измерения уровня LGC фирмы PEPPERL+FUCHS (рисунок 7.10) являются датчиками гидростатического давления для измерения уровня пресной воды, питьевой воды и сточных вод. Модели со встроенным термопреобразователем сопротивления из платиновой проволоки Pt100 одновременно определяют температуру в месте установки датчика. Соответствующий преобразователь трансформирует сигнал термопреобразователя сопротивления в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.

Рисунок 7.10 — Гидростатические зонды серии LGC

Необходимо отметить следующие моменты:

-боковое перемещение кабеля зонда может вызвать ошибки измерения, поэтому зонд необходимо устанавливать в месте, где отсутствуют движение жидкости и турбулентные потоки, или применять направляющую трубу с внутренним диаметром более 23 мм;

-конец кабеля должен размещаться в сухом помещении или соответствующей распределительной оболочке;

-защитный колпачок предназначен для предупреждения механических повреждений измерительного элемента.

Широко используемые в химической, нефтехимической, фармацевтической или пищевой отраслях датчики гидростатического давления серии Barcon фирмы PEPPERL+FUCHS позволяют строить надёжные и недорогие измерительные системы, отличающиеся разнообразными гибкими возможностями. Основным элементом этих датчиков является первичный измерительный преобразователь. Керамические или металлические мембранные преобразователи, разнообразные способы монтажа на резервуары, многочисленные варианты конструкции корпусов датчиков, выполненных из разных материалов, обеспечивают многообразие изделий серии Barcon. Для данных устройств могут быть реализованы различные способы электрических подключений, в том числе на базе сетевых протоколов PROFIBUS или HART. Всё это позволяет создавать специальные измерительные приборы для решения конкретных задач заказчика.

Общие технические данные датчиков серии Barcon.

Датчики с керамическим измерительным элементом:

- керамический ёмкостный первичный измерительный преобразователь;

- диапазон измерений от 100 мбар до 40 бар;

- герметизированы с защитой от перегрузки;

- соответствуют высоким санитарно-гигиеническим требованиям;

- могут работать в коррозионных и абразивных средах.

Датчики с металлическим измерительным элементом:

- сварной пьезорезистивный металлический преобразователь;

- диапазон измерений от 1 до 400 бар;

-защита от перегрузки до 600 бар.

Точность измерения:

-не хуже 0,2% установленного диапазона;

-возможность установки диапазона измерения с диапазоном изменения в соотношении 10:1;

-долговременная нестабильность менее 0,3% диапазона за год.

-унифицированный токовый сигнал 4…20 мА;

-совместимость с HART-протоколом;

-PROFIBUS-PA.

Корпуса из нержавеющей стали и алюминия.

Монтаж и установка посредством резьбовых соединений типа G 1/2", 1/2" NPT, M20*1,5, стандартных и удлинённых фланцев, соединителей с герметизирующей мембраной для применений в условиях высоких санитарно-гигиенических требований.

Практически все современные датчики имеют встроенный микропроцессор и программируются. С помощью кнопок, расположенных на датчике вводится необходимый максимальный перепад давлений, некоторые другие параметры, имеется возможность принудительного «обнуления» датчика при его калибровке, когда на его входах выставлен «нулевой» перепад.

Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рисунке 7.11.

 Рисунок 7.11 — Схема включения пьезометрического уровнемера

Пьезометрическая трубка 1 размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ поступает в трубку через дроссель 2, служащий для ограничения расхода. Для измерения расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу пузырьков, пробулькивающих через заполняющую жидкость в единицу времени), а давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4. Давление газа после дросселя измеряется дифманометром 5 и служит мерой уровня.

При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор, пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде отдельных пузырьков (примерно один пузырек в секунду).

При большем расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько большим, чем гидростатическое, из-за дополнительного падения давления, возникающего за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа увеличивается инерционность измерения. Оба фактора могут увеличить погрешность измерения уровня.

В пьезометрических уровнемерах при больших изменениях уровня расход газа может существенно измениться, что, в свою очередь, может вызвать дополнительную погрешность измерения.

Для стабилизации расхода газа в пьезометрических уровнемерах промышленностью выпускается мембранный стабилизатор расхода, схема которого показана на рисунке 7.12.

Рисунок 7.12 — Схема мембранного стабилизатора расхода воздуха:

1-дроссель, 2-пружина, 3-крышка, 4-жесткий центр,

5-резинотканевая мембрана, 6-корпус, 7-отверстие, 8-пружина, 9-шарик, 10-толкатель, 11-ротаметр.

Действие стабилизатора основано на автоматическом регулировании постоянного перепада давления на дросселе 1, который обусловливает постоянство расхода через него. Для регулирования этого перепада используется статический мембранный регулятор который состоит из корпуса 6 и крышки 3, между которыми установлена резинотканевая мембрана 5 с жестким центром 4. Последний опирается на толкатель 10, а сверху на него воздействует пружина 2. Шарик 9, на который воздействует пружина 8, образует вместе с отверстием 7 в корпусе управляемый клапан. Ротаметр 11 служит для измерения расхода газа, подаваемого к пьезометрической трубке. Дроссель 1 выполнен переменным, что позволяет задавать регулируемое значение расхода.

Стабилизатор расхода работает следующим образом. Если по каким-либо причинам расход газа изменяется, например уменьшается, соответственно уменьшается перепад давления на дросселе 1. В результате действующая на мембрану сила F₁ обусловленная перепадом давления на мембране, также уменьшается. Из-за того что сила F₂, развиваемая пружиной 2, постоянна, уменьшение силы F₁ вызовет перемещение мембраны вниз. При этом толкатель 10 несколько увеличит зазор между шариком 9 и отверстием 7, что увеличивает подачу газа под мембрану 5, а следовательно, и давление в пространстве под ней и на входе дросселя 1. Увеличение этого давления будет происходить до тех пор, пока с точностью до статической ошибки не будет восстановлен перепад давления на дросселе 1, а следовательно, и расход. В состоянии равновесия силы F₁ и F₂, действующие на мембрану, равны.

Пьезометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в широких пределах (от нескольких десятков сантиметров до 10— 15 м), и при использовании для измерения давления в пьезометрической трубке дифманометра с унифицированным выходным сигналом имеют относительную приведенную погрешность ±(1,0—1,5) %.

Основные достоинства гидростатического метода:

— точность;

— применим для загрязнённых жидкостей;

— реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;

— соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом обслуживании.

Недостатки:

— движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Бернулли);

— атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

— изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

Электрические средства измерений уровня

По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

В уровнемерах емкостного типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами жидкости. Для неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей — жидкостей, имеющих удельную электропроводность менее 10^-6 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схемы которого представлены на рисунке 7.13.

Чувствительный элемент (рисунок. 7.13, а) состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, а пространство H — h — парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением:

  где ?—относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; ?₀— диэлектрическая проницаемость вакуума; Н — высота электродов; D, d — диаметры соответственно наружного и внутреннего электродов.

Рисунок 7.13 — Схемы емкостных уровнемеров

Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное пространство которого заполняется веществами, обладающими различными диэлектрическими проницаемостями, как показано на рисунке 7.13, а, полная емкость С_п определяется выражением:

     где С₀ — емкость проходного изолятора; С₁ — емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью; С₂ — емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью.

С учетом уравнения полную емкость чувствительного элемента представим в виде:

Так как для паров жидкости и газов ?_r?1, а C₀ - величина постоянная, уравнение можно преобразовать следующим образом:

Уравнение (7.19) представляет собой статическую характеристику емкостного чувствительного элемента для неэлектропроводных сред. Величина ?_? является функцией температуры, поэтому для исключения влияния температуры жидкости на результат измерения применяют компенсационный конденсатор (рисунок 7.13, в). Компенсационный конденсатор 1 размещается ниже ёмкостного чувствительного элемента 2 и полностью погружен в жидкость. В некоторых случаях при постоянстве состава жидкости его заменяют конденсатором постоянной емкости.

Для измерения уровня электропроводных жидкостей — жидкостей с удельной проводимостью более 10^-4 См/м применяют уровнемеры, оснащенные емкостным чувствительным элементом, изображенным на рисунке 7.13, б. Чувствительный элемент представляет собой металлический электрод 1, покрытый фторопластовой изоляцией 2. Электрод частично погружен в жидкость. В качестве второго электрода используется либо стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Полная емкость чувствительного элемента, изображенного на рисунке 7.13, в, определяется уравнением:

где С₀ — емкость проходного изолятора; C₁ — емкость конденсатора, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости на границе с изолятором; С₂ — емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с изолятором и стенками резервуара.

Преобразование электрической емкости чувствительных элементов в сигнал измерительной информации осуществляется мостовым, резонансным или импульсным методом.

Основные достоинства емкостных уровнемеров:

- простота установки и эксплуатации;

- многофункциональность применения;

- возможность использования с клейкими веществами;

- активная компенсация влияния раскачивания зонда.

Емкостные датчики для измерения уровня LCL фирмы PEPPERL+FUCHS (рис.7.14.) поставляются в компактном исполнении с длиной зонда всего 140 мм и модели с длиной кабеля зонда 6000 мм. Ёмкостные выключатели легко вводятся в эксплуатацию, активная компенсация влияния раскачивания зонда и конструктивная прочность являются их дополнительными достоинствами.

Рисунок 7.14 — Внешний вид ёмкостных выключателей

Емкостные выключатели LCL поставляются в следующих вариантах исполнения:

-релейный выход, питание от сетей переменного и постоянного тока;

-PNP-выход, трехпроводная схема питания напряжением постоянного тока.

Кондуктометрический метод основан на изменении величины оперативного тока. При пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико; при погружении концов электродов в проводящую среду сопротивление уменьшается соответственно величине ее проводимости. Область применения метода распространяется на контроль уровня электропроводящих жидкостей, сыпучих или вязких материалов. Необходимо наличие у контролируемого вещества определённой минимальной проводимости, чтобы при измерении уровня кондуктометрическим методом можно было получить различимый сигнал изменения тока.

При реализации кондуктометрического метода электрод устанавливаются выше поверхности проводящей жидкости, уровень которой контролируется. Когда жидкость достигает той точки, где электрод контактирует с жидкостью, замыкается электрическая цепь между электродом  и корпусом технологического аппарата. При этом срабатывает реле, контакты которого включены в схему сигнализации.

Если требуется выявить несколько значений уровня, используется соответствующее  кратное число   электродов. Для того чтобы   исключить такие эффекты, как электролиз жидкости или взрыв, применяются постоянный ток достаточно малой величины и переменный ток.

На основе данного метода может быть легко и экономично реализовано определение не только предельного, но и межфазного уровня; например, достаточно просто выявляется граница между водой и непроводящими жидкостями в разделителях (cепараторах) масла или бензина.

Настоящий метод применяют главным образом для измерения предельного уровня в цистернах, бункерах, баках и паровых котлах. Воспламеняющиеся жидкости, такие как различные виды топлива, масла и растворители, являются диэлектриками, поэтому для них этот метод неприменим в отличие от кислот, щелочей и растворов, содержащих воду и являющихся проводниками. Уровень агрессивных жидкостей определяется путем использования электродов, выполненных из высокопрочных материалов.

Взаимодействие двух электродных стержней (или электрода и металлической стенки резервуара) со схемой генератора колебаний преобразователя приводит к созданию переменного электрического поля. По мере того как уровень вещества увеличивается и контролируемое вещество входит в контакт с электродами, колебательный контур демпфируется. Детектор с регулируемым порогом фиксирует изменение электрического поля и формирует соответствующий сигнал.

Этот метод определения предельного уровня может быть реализован с использованием стандартных электродов, применяемых для кондуктометрического или ёмкостного методов, и используется практически для любого вещества:

-жидкостей или зернистых материалов;

-веществ с различным характером электрической проводимости (и диэлектрики, и проводники);

-материалов, способных налипать на стержни электродов.

Метод находит наиболее широкое применение при определении границ раздела в масляных или бензиновых сепараторах и отстойниках.

Кондуктометрические концевые выключатели с одностержневыми электродами HR-6001 фирмы PEPPERL+FUCHS. Эта серия включает модели с электродом диаметром 4 или 6 мм. Длина электродов диаметром 6 мм достигает 1,5 м. Для изготовления электродов применяются различные материалы: нержавеющая сталь, Hastelloy B (NiMo28), Hastelloy C (NiMo16Cr16Ti), титан, тантал, а также покрытие из политетрафторэтилена; материал резьбовых соединителей: нержавеющая сталь, политетрафторэтилен (устойчив к воздействию многих химикатов), полипропилен (устойчив к воздействиям кислот, щелочей, cмазок, масел и растворителей).

Принцип действия выключателя с одностержневыми электродами достаточно прост: реле электрода вырабатывает измерительное напряжение переменного тока; когда проводящая среда устанавливает контакт с электродом, измерительная цепь замыкается, и реле электрода формирует переключательный сигнал в соответствии с выбранным порогом чувствительности.

Серия HR-6051 фирмы PEPPERL+FUCHS включает концевые выключатели с многостержневыми электродами с числом электродов от 1 до 4. Основные технические характеристики этих датчиков аналогичны характеристикам изделий серии HR-6001.

Общие технические данные кондуктометрических выключателей:

- точность: 4 мм.

- температура контролируемого вещества: до 150°C.

- рабочее давление: до 30 бар.

Акустические средства измерений уровня

Ультразвуковые средства измерений уровня

В уровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод, основанный на отражении ультразвуковых (УЗК) колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости.

В зависимости от используемого параметра звуковой волны для измерения уровня жидкости различают

·                    частотный,

·                    фазовый.

·                    импульсный

способы измерения уровня.

Мерой уровня жидкости h является время прохождения ультразвуковых колебаний t от пьезометрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела среды (жидкость - газ) и обратно до приёмника. Время прохождения ультразвуковых колебаний t определяется выражением:

где а — скорость распространения звука в жидкости.

Пауза t_п между двумя последовательными посылаемыми импульсами определяется выражением:

В таблице 7.2 приведены значения времени прохождения ультразвуковым сигналом некоторых расстояний в воздушной среде при нормальных условиях (двойное расстояние уже учтено); эти данные помогают учесть инерционность УЗК-метода в некоторых применениях.

Таблица 7.2 - Времени прохождения УЗК сигналом некоторых расстояний

Уровнемер (рис.7.16) состоит из пьезометрического преобразователя 1, электронного блока     7    и     вторичного    прибора    5.   Электронный   блок   включает  в себя генератор 6, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемый в жидкость, уровень которой измеряется; приёмного устройства-усилителя 3; схемы измерения времени 4. Генератор, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов и схемой измерения времени. Генератор 2 вырабатывает электрические импульсы с определённой частотой повторения, которые преоразуются в ультразвуковые при помощи пьезометрического преобразователя, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела жидкость-газ и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отражённые импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 3 и подаются на схему измерения времени. Выходным сигналом измерительной схемы являются постоянное напряжение, которое поступает на вход вторичного прибора 5.

Рисунок 7.16 — Схема ультразвукового уровнемера

Основные достоинства УЗК-метода:

— бесконтактный;

— применим для загрязнённых жидкостей;

— реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости   и прочности оборудования;

— независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

— 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.

Рассмотрим подробнее образцы ультразвуковых уровнемеров.

Sonar-BERO. Ультразвуковые бесконтактные датчики фирмы SIEMENS (рисунок 7.17).

Рисунок 7.17 — Ультразвуковой бесконтактный датчик фирмы SIEMENS

В зоне действия датчика можно устанавливать коммутационную зону. Коммутирующий выход датчика можно настроить таким образом, чтобы он срабатывал лишь при появлении какого-либо объекта в установленной коммутационной зоне (снятие переднего плана и фона).

При применении Sonar-BERO в качестве классического бесконтактного датчика распознавание попавших в установленную коммутационную зону объектов будет сигнализироваться цифровым сигналом на коммутирующем выходе.

Датчик отражающего действия. Попавший в зону действия датчика, объект действует как отражатель. Как только объект появляется в установленной коммутационной зоне, отраженный от него сигнал инициирует включение датчика BERO.

УЗК-датчики серии LUC4 фирмы PEPPERL+FUCHS специально разработаны для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Тефлоновое покрытие корпуса датчика позволяет применять датчик с коррозионными жидкостями.

Рисунок 7.18 — Подавление эхо-сигнала от стационарного объекта в резервуаре

Подавление паразитного сигнала уменьшает мощность полезного сигнала, и в некоторых случаях приходится оценивать это уменьшение, чтобы не потерять полезный сигнал.

Датчик оснащен средствами для компенсации влияния изменений температуры, подавляет паразитные эхо-сигналы. Кроме того, можно установить внешние зонды, которые контролируют температуру измеряемой поверхности независимо от условий в месте монтажа датчика, что минимизирует погрешности, вызванные температурными колебаниями.

Датчики принципа измерения методом направленного электромагнитного излучения работают на основе измерения коэффициента отражения методом совмещения прямого и отражённого испытательных сигналов и определения времени прохождения излученного импульса до поверхности контролируемой среды (временного сдвига отражённого сигнала — рисунок 2.19).

Повторяющиеся импульсы наносекундного диапазона длительностей излучаются с интервалом 1 мкс. Принцип измерения напоминает ультразвуковой метод определения уровня. Только в системе с направленным электромагнитным излучением импульсы распространяются не равномерно в пределах границ диаграммы направленности, а локализованы вдоль стержня или троса датчика, играющего роль волновода.

Данный метод базируется на новейших технологиях и дополняет собой список контактных методов измерения. Из-за чрезвычайно низкой мощности и направленности излучения импульсов микроволны не рассеиваются в пространстве, поэтому применение этих устройств не требует согласований с комитетами по радиочастотам.

Рисунок 7.19 — Принципы измерения методом направленного электромагнитного излучения.

Благодаря низкому энергопотреблению достаточно двухпроводной системы подключения микроволнового датчика с питанием через информационный канал. В силу этой же причины датчики являются взрывобезопасными, что позволяет устанавливать их во взрывоопасных зонах вплоть до зон класса 0.

Для обеспечения электромагнитной совместимости микроволновых датчиков предложен специальный метод со скачкообразной перестройкой частоты, который позволяет обнаруживать электромагнитные помехи и маскировать их в динамическом режиме.

Суммируя приведенные данные, можно сформулировать и другие достоинства и преимущества метода направленного электромагнитного излучения.

Основные достоинства метода направленного электромагнитного излучения:

— управление микроволновыми датчиками посредством меню и их калибровка на этапе изготовления обеспечивают простой ввод в эксплуатацию;

— надёжное измерение порошкообразных материалов даже в процессе наполнения ёмкости;

— измерение уровня жидкостей при образовании пены в условиях повышения давления;

— надёжное и точное измерение в обводных и расширительных трубах;

— возможность эффективного устранения помех отражения от арматуры (балок, укосин и др.) и структурных элементов стенок (например гофрированных листов), резервуаров или узких силосных бункеров;

— независимость метода от

   —  вида материала (жидкий/сыпучий),

   —  плотности,

   —  значения диэлектрической постоянной,

   —  химической агрессивности среды, _ проводимости,

   —  изменения свойств материала, вызванных процессом комкования;

— абсолютная независимость метода от влияний таких факторов технологического процесса, как

   —  давление,

   —  температура,

   —  наличие подвижных поверхностей,

   —  пена/туман/пыль.

Недостатки:

— клейкие вещества могут вызвать отказы;

— диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6.

Радарные средства измерений уровня

В 1976 году радарная технологиявпервые была применена шведской фирмой SAAB для контроля уровня сырой нефти, перевозимой супертанкерами. Уровнемеры, основанные на радарном методе измерения, оказались практически свободными от многих недостатков, таких как частое техническое обслуживание, связанное с необходимостью удаления различного рода отложений и загрязнений, поскольку все известные в то время способы измерения уровня являлись контактными по своей природе. Именно это обстоятельство и обеспечило их широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

В настоящее время в радарных системах контроля уровня применяются преимущественно две технологии:

·   с непрерывным частотно-модулированным излучением (FMCW — frequency modulated continuous wave)

·  импульсным излучением сигнала.

Принцип действия технологии с непрерывным частотно-модулированным излучением основан на том, что уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изменяется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f₁ и f₂ (рисунок 7.20). Отраженный от поверхности контролируемой среды (жидкость, сыпучий материал и т.п.) сигнал принимается той же антенной и обрабатывается. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени. Значение разности частот (f_d) прямо пропорционально расстоянию до поверхности (l). Принцип очень прост, но на пути его практической реализации существует множество технических и технологических проблем. Одной из важнейших, непосредственно влияющих на точность измерения, является обеспечение высокой линейности изменения частоты сигнала и особенно ее температурной стабильности, поскольку уровнемеры, как правило, предназначены для эксплуатации в очень широком температурном диапазоне.

Рисунок 7.20 - Принцип измерения расстояния (l)

с использованием технологии FMCW

Идеальными для уровнемера этого типа 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 приносят дополнительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразитных эхосигналов от элементов конструкции, неровностей поверхности (рисунок 7.21). 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 эхосигналов применяется алгоритм, основанный на методе быстрого преобразования Фурье. Для его реализации требуются значительные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Результатом преобразования является частотный спектр принятого сигнала, в котором относительная амплитуда каждой частотной составляющей (U) пропорциональна мощности конкретного эхосигнала, а величина частотного сдвига пропорциональна расстоянию источника этого эхосигнала от излучателя (рисунок 7.22).

Рисунок 7.21 - Отражения при использовании технологии FMCW:

1 — излученный сигнал; 1,2,3,4,5 — паразитные эхо-сигналы;

6 — полезный сигнал.

Рисунок 7.22 - Частотный спектр эхо-сигнала

В радарах импульсного типа используется метод определения расстояния, основанный на непосредственном измерении времени прохождения сигнала высокой частоты (СВЧ) 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 всетаки требуется применение специальных методов обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧ-сигнала в сигнал промежуточной частоты ультразвукового диапазона. После такого преобразования к обработке сигналов радарного уровнемера могут быть легко применимы методы и алгоритмы, используемые в ультразвуковых приборах контроля уровня.

Радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, использующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхосигналы 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 эхосигнала. 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.

Между радарными уровнемерами импульсного типа и уровнемерами, использующими технологию FMCW, не существует принципиального различия по достигаемой точности измерения.

Приборы, используемые для контроля уровня в технологических установках, обладают точностью порядка нескольких миллиметров. Реально же достигаемая точность измерения определяется и такими факторами, как конкретные условия применения, тип и конструктивное исполнение антенны, качество электронных компонентов, возможности программного обеспечения обработки эхо-сигнала.

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 (рис.7.23):

• рупорная;

• стержневая;

• трубчатая;

• параболическая;

• планарная.

Рупорная и стержневая антенны наиболее широко используются в составе приборов, предназначенных для контроля уровня в технологических установках. Трубчатые антенны 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 используются исключительно в составе систем коммерческого учета нефтепродуктов.

a)б)в)г)

Рисунок 7.23 — Радарные уровнемеры Siemens Milltronics:

а) с рупорной и стержневой антеннами; б) с трубчатой антенной;            

в) с параболической антенной;  г) с планарной антенной.

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. Вот почему у ведущих мировых производителей радарных уровнемеров в программе поставок имеется большое количество вариантов исполнения оборудования, и особенно антенных систем.

Электронный блок радарного уровнемера составляет единое целое с антенной системой вследствие особенностей используемого принципа действия. Данный блок отвечает как за формирование зондирующего сигнала, так и за обработку принятого эхо-сигнала. Измерительная информация (расстояние, уровень, объем и т.п.) может либо просто отображаться на встроенном индикаторе, либо выдаваться вовне с помощью различных аналоговых и цифровых интерфейсов. В простейшем случае применяется стандартная токовая петля 4-20 мА с 2- или 3-проводной схемой подключения. В последнее время в таких приборах обычно имеется поддержка HART-протокола, который используется, в частности, для удаленной настройки измерительной системы. Для этой же цели производители оборудования предлагают специальные программные продукты, функционирующие на сервисном компьютере и обеспечивающие в удобной и наглядной форме настройку, калибровку и диагностику уровнемеров. Одной из важнейших функций таких программ является построение профиля отраженного сигнала по всей трассе измерения и отстройка от паразитных эхо-сигналов

Вне зависимости от используемого принципа в радарных уровнемерах применяются СВЧ-сигналы с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц. К сожалению, не существует какой-то одной оптимальной частоты для всех возможных случаев применения радарных систем контроля уровня: любое преимущество в одном случае может оказаться существенным недостатком в другом. С этой позиции и рассмотрим особенности низкочастотных и высокочастотных радарных уровнемеров.

Антенная система. В высокочастотных приборах антенна имеет меньшие размеры и при равных размерах с антенной низкочастотного прибора обеспечивает более узкую диаграмму направленности. Это позволяет использовать для установки уровнемера отверстия в резервуаре гораздо меньших размеров, что в некоторых случаях может иметь решающее значение. Сравните: рупорная антенна радарного уровнемера диапазона 26 ГГц диаметром 40 мм имеет диаграмму направленности приблизительно такой же ширины, что и антенна уровнемера диапазона 6 ГГц диаметром 150 мм. Более узкая диаграмма направленности очень важна для получения эхо-сигнала с наименьшим числом паразитных отражений от различных внутренних конструктивных элементов резервуара, таких как швы, дефлекторы, мешалки и т.д. Для высокочастотных уровнемеров ситуация осложняется тем, что из-за более короткой длины волны излучения паразитные эхо-сигналы будут формироваться от более мелких объектов, которые для низкочастотных уровнемеров будут просто незаметны.

Контролируемая среда. По этой же причине высокочастотные урoвнемеры более чувствительны к наличию разного рода неровностей на контролируемой поверхности, которые вызывают повышенное рассеивание зондирующего излучения и, как следствие, снижают уровень полезного эхо-сигнала. Вот почему низкочастотные уровнемеры лучше приспособлены для контроля уровня жидкостей с неспокойной поверхностью.

Конденсат и отложения материала. Высокочастотные уровнемеры более чувствительны к наличию конденсата и отложениям материала на поверхности антенны, поскольку эти факторы вызывают более сильное ослабление именно высокочастотного сигнала. Кроме того, одинаковый уровень отложений или конденсата сильнее сказывается на эффективности работы антенн с меньшими размерами. В то же время, например, рупорная антенна диаметром 6 дюймов для диапазона 5,8 ГГц практически нечувствительна к конденсату и гораздо более устойчива к отложениям материала на ее поверхности.

Испарения и запылённость. Для контроля уровня при наличии высокого уровня пыли (цемент) или испарений (паровой котёл) низкочастотные уровнемеры имеют преимущество благодаря меньшему ослаблению сигнала, вызываемому указанными факторами.

Пена. Влияние пены на результат измерения определяется такими её параметрами, как плотность, диэлектрическая проницаемость и проводимость. Сухая пена достаточно легко проницаема для СВЧ-излучения. В то же время, мокрая пена, присутствующая, например, в бродильных чанах, представляет для него труднопреодолимое препятствие. В общем же случае низкочастотные уровнемеры показывают лучшие результаты работы при наличии пены на поверхности контролируемого вещества. Так, например, тонкий слой пены моющего средства на поверхности воды непреодолим для сигнала высокочастотного уровнемера, в то время как уровнемер диапазона 5,8 ГГц позволяет производить измерения при толщине слоя пены до 150 мм и даже выше. Здесь следует иметь в виду, что толстый слой пены способен вносить небольшую дополнительную погрешность в результат измерения из-за различия скорости распространения СВЧ-сигнала в воздушной среде и пене.

Зона нечувствительности. Для высокочастотных уровнемеров характерны гораздо меньшие размеры зоны нечувствительности по сравнению с низкочастотными, поэтому они имеют дополнительное преимущество при использовании в резервуарах и успокоительных трубах небольшого размера.

Рассмотрим некоторые образцы радарных уровнемеров. Рефлекс-радар BM 100 A фирмы KROHNE (рис.7.24).

Обычно вес прибора составляет от 11 кг / 25 фунтов до 35 кг / 77 фунтов. BM 100 A позволяет производить непрерывное и синхронное измерение уровня жидкости и границы раздела фаз двух жидкостей.

Рисунок 7.24 —  Рефлекс-радар BM 100 A

Радарный уровнемер SITRANS LR 200 фирмы SIEMENS  представляет собой прибор с питанием по двухпроводной схеме, предназначенный для непрерывного измерения уровня и использующий прогрессивную радарную импульсную технологию с рабочей частотой 5,8 ГГц. Прибор состоит из электронного блока соединенного с антенной и приспособлением для подключения к техпроцессу. Прибор очень прост для установки и настройки, при которой используется либо локальный ручной инфракрасный программатор, либо программа SIMATIC PDM фирмы Siemens, исполняемая на удаленном устройстве.

SITRANS LR 200 поддерживает протокол связи HART.

Измерения уровня с помощью магнитных погружных зондов

Сущность метода измерения уровня с помощью магнитных погружных зондовзаключается в том, что смонтированный на поплавке зонда постоянный магнит, вызывает срабатывание герметизированных магнитоуправляемых контактов, установленных на направляющей трубе. При срабатывании эти контакты включаются между последовательно включёнными резисторами внутри направляющей трубы; таким образом при перемещениях поплавка общее значение сопротивления изменяется квазинепрерывно, в зависимости от разрешающей способности зонда. Точность измерения не зависит от электрических свойств среды, а также от давления, температуры и плотности.

Основные достоинства:

— простой принцип действия;

— несложный монтаж;

— несложное техническое обслуживание;

— не требуется регулировка в месте установки.

Недостатки:

— плавучесть зависит от размера поплавка;

— точки переключения зависят от плотности среды;

— максимальная длина трубки зонда около 6 м;

— минимально допустимая плотность контролируемого вещества, как правило, не превышает 0,7 г/cм³;

— можно использовать только в очищенных жидкостях.

Магнитные погружные зонды LMC8S3-G6S-I-Ex для непрерывного измерения уровня фирмы PEPPERL+FUCHS поставляются в корпусах из пластика или нержавеющей стали, во взрывозащищённом исполнении (маркировка взрывозащиты EEx ia IIC T6), с шаровидными или цилиндрическими поплавками.

Рисунок 7.25 — Магнитный погружной зонд LMC8S3-G6S-I-Ex

Максимальная длина направляющей трубы достигает 3 м. Выход устройства — 2-проводной токовый (4…20 мА) или 3-проводной для подключения к потенциометру (40 кОм).

В месте резьбового соединения используются такие материалы, как нержавеющая сталь или полипропилен, или поливинилиденфторид (чрезвычайно устойчив к воздействию масел, смазок, кислот, щелочей и растворителей).

Магнитные погружные зонды предельного уровня серии LML фирмы PEPPERL+FUCHS разработаны для использования в очищенных жидкостях, таких как вода, растворители, масла, различные виды топлива.

Магнитные погружные зонды предельного уровня серии LML в зависимости от вида контролируемой жидкости различают:

? пластиковые для агрессивных кислот и щелочей;

? из нержавеющей стали для воды, масел и т.п.;

? из нержавеющей стали во взрывозащищённом исполнении (маркировка взрывозащиты EEx ia IIC T3-T6) для горючих жидкостей, таких как топливо, растворители, спирты. Поставляются модели с числом контактов от 1 до 3. Переключатели выполняются размыкающие, замыкающие и переключающие. Точность измерения не зависит от давления, плотности и электрических свойств жидкости.

Рисунок 7.26 — Пример использования магнитного погружного зонда

Погружной зонд МЕТРАН-55-ЛМП 305 (рисунок 7.27).

a) 

б)

Рисунок 7.27 — Погружной зонд МЕТРАН-55-ЛМП 305:

а) внешний вид; б) габаритные размеры.

Измеряемая среда: жидкости, не агрессивные к нержавеющей стали; вязкие среды.

Диапазон измеряемых давлений (уровня):

   минимальный 0...10 кПа (1 м вод.ст.);

   максимальный О...2,5 МПа (250 м вод.ст.);

Диаметр зонда 19 мм.

Погрешность измерений ±0,25%, ±0,35%, ±0,5%.

Выходной сигнал 4-20 мА.

Температура измеряемой среды от 0 до 50°С (до 40 кПа), от 0 до 70°С

(свыше 40 кПа).

Погружной зонд МЕТРАН-55-ЛМП 307 (рисунок 7.28).

          а)

б)

Рисунок 7.28 — Погружной зонд МЕТРАН-55-ЛМП 307:

а) внешний вид; б) габаритные размеры.

Измеряемая среда: жидкости, не агрессивные к нержавеющей стали, и вязкие среды

Диапазон измеряемых давлений (уровня):

   минимальный 0...4 кПа (0,4 м вод.ст.);

   максимальный 0...2,5 МПа (250 м вод.ст.);

Диаметр зонда 27 мм.

Погрешность измерений ±0,25%; ±0,35%; ±0,5%ВПИ.

Выходные сигналы 4-20, 0-20 мА; 0-10 В.

Температура измеряемой среды:

   от 0 до 50°С (до 40 кПа);

   от 0 до 70°С (свыше 40 кПа).

Вибрационные сигнализаторы уровня