6.7. Методы измерения уровня заполнения резервуаров

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Средства измерения уровня называются уровнемерами. Как и все средства измерения, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерения.

Исходя из общей структуры средств измерения первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину (уровень) и преобразует ее в выходной сигнал (электрический, пневматический, частотный), который поступает на регистрирующий вторичный прибор для отсчета величины. Уровнемеры подразделяются на механические, акустические, электрические, оптические, тепловые.

К механическим уровнемерам относятся поплавковые, буйковые и гидростатические. Все они реализуют прямой, абсолютный метод измерения уровня, основанный на использовании различия плотности веществ, образующих границу раздела. Одним из самых простых методов является измерение с помощью поплавка, который крепится к тросику, перекинутому через ролик (рис. 6.23).

О

Рис. 6.23. Схема поплавкового уровнемера

сь ролика может быть подсоединена к многооборотному потенциометру для передачи электрического сигнала. Поплавок под действием выталкивающей силы перемещается вместе с уровнем жидкости. Положение поплавка является мерой текущего значения уровня жидкости и преобразуется потенциометром в электрический сигнал. Связь поплавка со вторичным преобразователем (потенциометром) может быть и не механической, а бесконтактной, например, оптической, акустической или радиоизотопной.

Для поплавковых уровнемеров основная погрешность составляет ±1 мм в диапазоне измерения до 15 – 20 м. Основная погрешность измерений связана с изменением осадки поплавка и с изменением рабочей температуры жидкости, что приводит к деформации поплавка, увеличению плотности жидкости и газа в наджидкостной полости.

Указанных недостатков нет в методе с измерительными буйками (рис. 6.24), имеющими плотность большую, чем жидкость. Погрешность буйковых уровнемеров составляет около 1%. Пластины с помощью пружины или системы противовесов поддерживаются погруженными в жидкость на половину их высоты. При изменении уровня жидкости меняется степень погружения буя, а следовательно, и действующая на него выталкивающая сила (см. рис. 6.24).

И

Рис. 6.24. Схема буйкового уровнемера

зменение указанной силы компенсируется деформацией (перемещением) упругого элемента (пружины и т. п.), которая и является мерой изменения уровня жидкости в сосуде. В схеме на рис. 6.24 перемещение буйка преобразуется в индуктивном преобразователе в изменение электрического сигнала. Ультразвуковые уровнемеры применяются для измерения уровня как сыпучих материалов, так и жидкостей. Используются три их основных типа: локационные, поглощения и резонансные.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров состоит в реализации физических явлений, связанных с распространением звука в упругой среде. Например, локационный прибор (рис. 6.25) состоит из установленных на дне сосуда излучателя и приемника в диапазоне от 20 кГц до нескольких мегагерц.

Рис. 6.25. Схема локационного прибора

Мерой уровня служит время прохождения ультразвукового сигнала, который отражается от пограничного слоя «жидкость – воздух». Точность измерения – до 0,1 %.

От источника ультразвуковых колебаний G импульсы подаются на излучатель S. Отражаясь от поверхности, ультразвуковой сигнал принимается приемником Е, усиливается и поступает на вторичный прибор. Здесь реализован локационный принцип измерения.

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкости и газа. В зависимости от того, какой выходной параметр (электросопротивление, емкость, индуктивность) первичного преобразователя реагирует на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на кондуктометрические, емкостные, индуктивные и радиационные.

С

Рис. 6.26. Схема емкостного уровнемера

хема емкостного уровнемера приведена на рис. 6.26. Металлическая стенка резервуара и вертикальный стержень, изолированный от корпуса, образуют конденсатор. При наличии двух сред – воздуха и контролируемого материала – вследствие различных диэлектрических проницаемостей создаются два конденсатора. Третья емкость (С_L, паразитная) создается между соединительными проводами. Суммарная емкость измеряется с помощью резонансных схем или мостов переменного тока.

Среди распространенных способов измерения уровня заполнения можно отметить кондуктометрический (уровнемеры сопротивления), основанный на измерении проводимости жидкости и применяемый для контроля предельных уровней заполнения. Точность измерения – не более 5 – 10 %, используется в основном как индикатор предельного уровня.

Д

Рис. 6.27. Варианты расположения излучателей и детекторов

ля определения уровня у сыпучих твердых материалов (руды, концентраты) достаточно распространенным методом является измерение уровня с помощью радиоактивных изотопов. Этот метод целесообразно использовать и в специфических условиях, т. е. при наличии высокого давления или, напротив, разреженности агрессивных сред. В основе измерения при помощи искусственных изотопов лежит принцип поглощения радиоактивного излучения материалом, содержащимся в резервуаре. Ввиду того, что в большинстве случаев подлежат измерению толстые слои материалов, используют преимущественно γ-лучи. Варианты расположения излучателей и детекторов приведены на рис. 6.27.