Уровень. Многообразие уровнемеров и расходомеров, предлагаемых в настоящее время
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Практически в любой отрасли промышленности, включая энергетику, имеются технологические процессы, связанные с измерением расхода и уровня различных веществ. Измерение расхода жидкостей, газа или пара помогает в обеспечении качества различных технологических процессов промышленных предприятий, в получении и контроле оптимальных режимов работы технологических объектов, контроле расхода в напорных линиях. Измерение расхода жидких и газообразных энергоносителей позволяет контролировать эффективность систем их использования. Результаты измерения расхода применяют для определения мощности, производительности и КПД энергетических установок. Измерение расхода пара необходимо для учета тепловой энергии, которую он переносит, на объектах промышленности и коммунального хозяйства. Многообразие уровнемеров и расходомеров, предлагаемых в настоящее время, объясняется многообразием задач по определению уровня и расхода: различные продукты, различные условия, различная точность, различная надежность, различная стоимость. При выборе средства измерения необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, при выборе уровнемера 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, пенообразование и прочие другие. Универсальных средств измерения уровня и расхода не существует. Каждый прибор имеет множество модификаций и опций, которые позволяют подобрать наиболее оптимальный для данного вещества и условий проведения измерения уровнемер, расходомер. Существуют приборы измерения уровня и расхода жидких, сыпучих, газообразных сред без использования преобразований неэлектрических сигналов в электрические, но они часто не обеспечивают требуемую точность, имеют неприемлимые габариты, не могут быть задействованы в автоматизированных системах контроля и управления. Преобразование неэлектрических величин уровня и расхода в электрические позволяют автоматизировать управление и контроль в технологических процессах, т.е. снизить влияние человеческого фактора, что позволяет, с одной стороны, повысить качество продукции и оптимизировать расход сырья, а, с другой, снизить требования к квалификации и опыту персонала. В основе работы любого преобразователя неэлектрического сигнала в электрический лежат известные физические принципы. 1. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД Во многих отраслях современной промышленности экономичная и безопасная работа с высокой производительностью технологических процессов требует использование современных методов и приборов измерения, которые следят за состоянием оборудования и ходом процессов. Одной из таких задач является контроль за уровнем и расходом жидкостей. В энергетическом, химическом, нефтехимическом и нефтеперерабатывающем производствах, в пищевой промышленности, в производстве строительных материалов, в системах экологического мониторинга и во многих других отраслях измерение уровня жидкостей – один из ключевых моментов. Уровнемер – прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых резервуарах, хранилищах и так далее. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, сыпучие и другие материалы. Уровнемеры так же называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т. д.). Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину – уровень, и преобразует ее в выходной электрический сигнал, поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера. Принцип действия большинства первичных преобразователей уровнемеров основан на различии физических свойств веществ, образующих границу раздела. По принципу действия уровнемеры можно разделить на: визуальные; механические; гидростатические; электрические; акустические; радиоактивные (радиоизотопные); волноводные; радарные. Уровнемеры можно разделить на контактные и бесконтактные. К контактным относятся: волноводный; поплавковый; ёмкостной; гидростатический; буйковый. К бесконтактным относятся уровнемеры: с зондированием звуком; с зондированием электромагнитным излучением; с зондированием радиационнам илучением. Уровнемеры разделяют по режиму работы: непрерывного измерения, дискретного измерения (контроль в отдельных точках). Уровнемеры разделяют по продукту (веществу), уровень которого измеряется: - датчики уровня для жидкостей (вода, растворы, суспензии, нефтепродукты, масла и т.п.); - датчики уровня для сыпучих веществ (порошки, гранулы и т.п.). Основные сложности работы приборов с жидкими продуктами: - широкий температурный диапазон и давления в резервуаре; - широкий разброс свойств и, как следствие, необходимость в «индивидуальном подходе» к жидкости; - часто работа ведется с агрессивными и ядовитыми средами; - возможна коррозия частей контактирующих с продуктом; - возможно налипание продукта на контактные чувствительные элементы; - широкий разброс плотности продукта; - часто требуется взрывозащищенное исполнение (особенно для нефтепродуктов); - часто присутствуют бурлящие и пенящиеся поверхности; - часто необходима высокая точность; - возможность проникновения паров продукта прибор с последующей конденсацией; - необходимость соблюдать санитарные нормы для питьевой воды и пищевых продуктов; - иногда требуется определять уровни для нескольких продуктов, или уровень раздела двух жидкостей. Уровнемеры для сыпучих веществ разделяются на: - механические; - электрические; - акустические; - радарные; - рефлесные (волноводные); - радиационные. Особенности работы с сыпучими веществами: - большие размеры бункеров; - более низкая точность (по сравнению с жидкостями); - сложная форма поверхности (горка, воронка, слипшимися комками); - большая нагрузка на контактные датчики; - возможность попадания пылевых частиц на средство измерения. Имеются уровнемеры как без преобразования неэлектрической величины в электрическую, так и с преобразованием. 1.1. Визуальные уровнемеры Визуальный уровнемер является одним из самых простых по принципу действия, не требующих преобразования неэлектрического сигнала в электрический. В нем используется принцип сообщающихся сосудов. Наблюдения за уровнем жидкости в закрытом сосуде осуществляется непосредственно через водомерное стекло. Указательное стекло соединено 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. Стёкла комплектуются отсчетным устройством и вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. На рис. 1.1 представлена конструкция визуального уровнемера. К емкости с жидкостью 1 через запорные вентили 2 подсоединено указательное стекло (трубка 3). Аппарат и трубка представляют собой сообщающиеся сосуды, поэтому уровень H жидкости в трубке всегда равен ее уровню в аппарате и отсчитывается по шкале. 1.2. Механические уровнемеры К механическим относятся поплавковые, буйковые и гидростатические уровнемеры. Все они реализуют абсолютный метод измерения уровня, основанный на использовании различия плотностей веществ, образующих границу раздела. Р  ис. 1.1. Визуальный уровнемер: 1 – емкость с жидкостью; 2 – запорные вентили; 3 – указательное стекло (трубка). 1.2.1. Поплавковые уровнемеры Поплавковый уровнемер предназначен для выдачи электрического дискретного сигнала об уровне жидкости и уровне раздела двух несмешивающихся жидкостей в аппаратах и резервуарах технологических установок. В поплавковых уровнемерах используется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Поплавок под действием выталкивающей („архимедовой») силы перемещается вместе с уровнем жидкости. Положение поплавка, являющееся мерой текущего значения уровня жидкости, фиксируется вторичным преобразователем и преобразуется в электрический, пневматический, частотный сигнал и (или) отсчитывается по шкале показывающего прибора. Связь поплавка со вторичным преобразователем может осуществляться с помощью механических элементов (троса, ленты, рычага) (рис. 1.2) или с помощью бесконтактных (оптических, акустических, радиоизотопных и др.) следящих систем. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях. При измерении уровня токсичных, легкоиспаряющихся жидкостей, в сосудах с избыточным давлением необходимо герметизировать вывод сосуда. Характерная особенность поплавковых уровнемеров с механической связью – наличие дополнительных погрешностей, связанных с упругой деформацией и трением элементов связи. В то же время использование для фиксации положения поплавка бесконтактных следящих систем усложняет конструкцию уровнемеров, обусловливает, как правило, нелинейность их характеристик преобразования. При тщательной градуировке и правильной эксплуатации поплавковых расходомеров их основная погрешность может быть сведена к значению порядка ±1 мм в диапазоне измерений до 15-20 м. Вследствие этого поплавковые уровнемеры находят применение в качестве образцовых.  Рис. 1.2. Поплавковый уровнемер: 1– поплавок; 2 – гибкий трос; 3 – груз; 4 – шкала Наиболее существенное влияние на точность измерения уровня поплавковыми расходомерами оказывает изменение температуры в рабочей полости сосуда. Изменения температуры обусловливают температурную деформацию поплавка, изменения плотностей жидкости и газа в наджидкостной полости, что, в конечном счете, приводит к изменению Δl осадки поплавка. Так, если температурные изменения плотностей жидкости (ρж) и газа (ρг) составят соответственно Δρж,  Δρг, то абсолютная дополнительная погрешность уровнемера, связанная с изменением осадки поплавка , при условии постоянства площади сечения поплавка или столь малых значений Δl, при которых эту площадь можно считать постоянной. Недостатки поплавковых уровнемеров: ограничение использования в средах образующих налипание, отложение осадка на поплавок и стержень, а также коррозию поплавка и конструкции чувствительного элемента; ограничение по температуре измеряемого продукта; при монтаже на крыше резервуара не учитывается изменение геометрии резервуара при перепадах температуры, что ставит под сомнение точность измерений. 1.2.2. Буйковые уровнемеры Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, то есть от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал – унифицированный электрический сигнал (постоянный ток). Согласно рис. 1.3 при изменении уровня жидкости изменяется действующая на конец рычага 2 выталкивающая сила (так как изменяется вес буйка 1). Соответствующий изменяющийся момент сил, действующих на рычаг 2, от буйка 1 передается через вал 5, закрепленный в донышке 7, на трубку 6 и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручивания трубки пропорционально величине уровня.  Рис. 1.3. Буйковый уровнемер: На рис. 1.4 показан внешний вид широко распространенного буйкового измерителя уровня жидкости или границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, находящихся под вакуумметрическим, атмосферным или избыточным давлением Сапфир-22ДУ.  Рис. 1.4. Измеритель уровня жидкости или границы раздела двух несмешивающихся жидкостей Сапфир-22ДУ Преобразователи Сапфир-22ДУ предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами, в том числе, с взрывоопасными условиями производства. Обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра уровня жидкости или уровня границы раздела жидких фаз как нейтральных, так и агрессивных сред в стандартный токовый выходной сигнал дистанционной передачи. Преобразователи предназначены для контроля сред, не содержащих компонентов, конденсат паров которых замерзает при температуре окружающего воздуха, возможной в процессе эксплуатации. В случае наличия таких компонентов преобразователи должны размещаться в обогреваемых шкафах или использовать обогреватель уровнемеров. Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного преобразователя. При изменении измеряемого уровня происходит изменение гидростатической выталкивающей силы, воздействующей на чувствительный элемент – буек. Это изменение через рычаг передается на тензопреобразователь, размещенный в измерительном блоке, где линейно преобразуется в изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электронный преобразователь преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал. Гидравлический демпфер, внутренняя полость которого заполнена вязкой жидкостью, сглаживает колебания. Электронный блок позволяет получить: - линейно возрастающие характеристики выходного сигнала; - переключаемые различные токовые выходные сигналы; - контрольный сигнал; - «ТЕСТ», на специальных контактах клеммной колодки. В зависимости от назначения преобразователя блок имеет сальниковый кабельный вывод, электрический разъем или специальный кабельный вывод для вида взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка». Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя. Недостатки те же, что и у поплавковых уровнемеров. 1.2.3. Гидростатические уровнемеры Гидростатические уровнемеры – ближайшие родственники датчиков давления. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, то есть расстоянию от поверхности жидкости. Величина гидростатического давления Рг зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости ρ. Как известно, давление столба пресной воды высотой 10 метров равно 1 кг/см2 избыточного давления или 2 кг/см2 абсолютного. Измеряя давление столба жидкости в емкости, можно определить ее уровень. По конструкции гидростатические датчики делятся на два типа: стационарные (мембранные) или погружные (колокольные). В первом случае датчик соединен с мембраной, и прибор устанавливается внизу емкости. В случае погружного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на сенсор через столб воздуха, запаянный в подводящей трубке. Для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифференциальные манометры. При включении дифференциального манометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню. Измерение гидростатического давления может осуществляться различными способами, например: - манометром или датчиком давления, которые подключаются к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня; - дифференциальным манометром, который подключается к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью; - измерением давления воздуха, прокачиваемого по трубке, опущенной в жидкость на фиксированное расстояние, и другими. На рис. 1.5 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений. При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.  Рис. 1.5. Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит. В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей. Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рис. 1.6. Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой. В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т.к. результирующий перепад давления на дифманометре равен: ΔР = (Рг + Ратм) – Ратм = Рг. Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС).  Рис. 1.6. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рис. 1.7. Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке. Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рис. 1.8.  Рис. 1.7. Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением уравнительного сосуда; б – с верхним расположением уравнительного сосуда  Рис. 1.8. Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде: ΔР = ρgHmax – ρgh, где: ρ – плотность жидкости, g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения. При h = 0, ΔР = Δрmax, а при h = Hmax, ΔР = 0. То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной. Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая – в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки. Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рис. 1.9.  Рис. 1.9. Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда; в – для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсате и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью. При измерении уровня агрессивных жидкостей дифференциальный манометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью. При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифференциальных манометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом. При небольшом расходе воздуха его давление в минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой – давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифференциальном манометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню. Гидростатические уровнемеры – ближайшие родственники датчиков давления. Они дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности, сложности применения (монтаж на днище резервуара, требуется постоянная плотность измеряемого объекта, только для спокойных объектов/процессов). Постоянный контакт с измеряемым объектом так же накладывает свои ограничения. Внешний вид различных конструкций гидростатических уровнемеров представлен на рис. 1.10.   Рис. 1.10. Различные конструкции гидростатических уровнемеров (слева – гидростатический датчик давления Сапфир-22 ДГ) Типичное применение гидростатических уровнемеров – для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды, а также для паст и вязких жидкостей. Погрешности гидростатических уровнемеров складываются из погрешностей манометрических датчиков, а также температурных погрешностей, обусловленных изменением плотностей жидкости и парогазовой смеси, а также изменением линейных размеров системы сосуд-датчик. Гидростатические уровнемеры дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности, ограниченного применения (монтаж на днище резервуара, требуется постоянная плотность продукта, только для спокойных продуктов/процессов). Постоянный контакт с продуктом так же накладывает свои ограничения. Погружные зонды – гидростатические датчики уровня для скважин. Чувствительный элемент такого датчика находится в металлическом корпусе в форме небольшого стержня; выходной сигнал снимается с помощью длинных защищенных кабелей. Недостатки гидростатических уровнемеров: имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности; требуется постоянная плотность измеряемого объекта; применение только для спокойных объектов/процессов; при повышении температуры измеряемой жидкости, увеличивается её уровень, но при этом давление остается неизменным. 1.3. Электрические уровнемеры К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды непосредственно преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Простейшим электрическим уровнемером является измеритель уровня жидкости в скважине, имеющий следующий принцип работы: один провод опускается в скважину, второй подсоединяется к металлической обсадной трубе, индикатором контакта с водой служит лампочка или стрелочный прибор. Недостатком такого способа измерения является то, что обсадная труба должна быть проводящая (металлическая), к тому же в дождливую погоду сложно сделать замер. Имеются уровнемеры с опускаемым в трубу датчиком касания воды с двухжильным проводом, не требуещем контакта с трубой, с возможностью определения уровня жидкости и не в проводящей трубе (например – полиэтиленовой). Большое распространение получили емкостные и кондуктометрические (омические) уровнемеры. Название определяется в зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя «реагирует» на изменение уровня. 1.3.1. Емкостные уровнемеры Емкостной уровнемер – один из типов электрических датчиков-измерителей уровня. Основан на принципе измерения уровня жидкости в резервуаре при помощи измерения электрической ёмкости датчика. Работа уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков – относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами. Датчик емкостного уровнемера представляет собой электрический конденсатор, состоящий из двух обкладок – изолированных проводников, помещенных в резервуар с жидкостью (водные растворы солей, кислот, щелочей и т.д.), уровень которой измеряется (иногда используется одна обкладка, а в качестве второй выступает проводящая стенка резервуара). Жидкость или сыпучее вещество может свободно проникать в пространство между обкладками. При изменении их уровня в резервуаре изменяется относительная диэлектрическая проницаемость пространства между обкладками конденсатора в результате изменения уровня жидкости, поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости и среды без неё (например, воздуха) в общем случае различна. В результате изменяется и электрическая ёмкость датчика. Это изменение емкости преобразуется электронной схемой в сигнал постоянного тока, который затем используется для местных показаний, для сигнализации достижения верхнего и нижнего уровней и для передачи информации на другие устройства. Преобразование емкости датчика в ток возможно осуществлять резонансными и мостовыми схемами. При резонансной схеме емкостный датчик включается параллельно контуру индуктивности. При этом образуется резонансный контур. Резонансный контур настраивается на резонанс питающей частоты при определенной начальной емкости датчика, которая соответствует наличию или отсутствию контролируемого вещества на заданном уровне. Изменение емкости датчика вследствие изменения уровня жидкости приводит к изменению собственной частоты резонансного контура и срыву резонанса. Такая схема включения используется в основном в емкостных сигнализаторах уровня. Принцип работы емкостного уровнемера иллюстрирует измерительная схема, приведенная на рис. 1.11.  |