Уровень. Многообразие уровнемеров и расходомеров, предлагаемых в настоящее время
 Скачать 0.49 Mb.
|
Рис. 1.11. Емкостной уровнемер:1, 2 – электроды; 3 – электронный блок В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор с емкостью, зависящей от уровня электропроводящей жидкости. Преобразователи могут быть пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня. Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков – погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1). 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. Уровнемер емкостный обеспечивает измерение текущего уровня и сигнализацию двух перестраиваемых предельных уровней жидких и сыпучих сред находящихся под избыточным давлением. Достоинствами емкостных уровнемеров является отсутствие в датчике движущихся частей и надежность в работе. Кроме того, емкостные уровнемеры позволяют измерять уровень жидкости в объектах под давлением и вакуумом. Уровнемер емкостный может измерять уровень как жидких, так и сыпучих продуктов. При упоре на днище резервуара и свободе перемещения в области крыши, температурное изменение геометрии не влияет на точность измерения. Недостатком является возможность налипания и осаждения осадка на чувствительном элементе, что влияет на точность измерения. Внешний вид емкостного уровнемера с преобразователем представлен на рис. 1.12.  Рис. 1.12. Емкостной уровнемер ФЕУ-Д5М 1.3.2. Кондуктометрические омические уровнемеры Кондуктометрические омические уровнемеры используют для измерения уровня проводящих жидкостей (в том числе, и жидких металлов), для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Первичный преобразователь кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уровня. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. Схемы включения электродов измерителя уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 1.13 показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод (рис. 2, а), одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два. В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости).  а б Рис. 1.13. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров – непостоянство площадей поперечных сечений электродов и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов, а также образование на электродах пленки (окисла или соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности датчика. Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов. Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов измерения уровня (даже при использовании различных компенсационных схем) достаточно высоки (5 – 10 %), поэтому они находят преимущественное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жидкостей. Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей. 1.4. Радарные уровномеры Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня, наиболее используемые в современном производстве. Радарные уровнемеры используют явление отражения электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. Датчик уровня реализован по классическому методу радарного (радиолокационного) измерения расстояния позволяющий минимизировать влияние паразитных помех и помех, связанных с неровностями (волнениями) поверхности измеряемого объекта. Принцип действия прибора заключается в том, что микроволновый генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону. Этот сигнал излучается в направлении измеряемого объекта, отражается от него и часть сигнала, через определенное время, зависящее от скорости распространения электромагнитной волны, возвращается обратно в антенну. Излученный и отраженный сигнал смешиваются в датчике уровня, и в результате образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала, соответственно пропорциональна времени распространения, и соответственно расстоянию от антенны до измеряемого объекта. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня и заключается в точном определении частоты результирующего сигнала и пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара. Обработка сигнала в датчиках уровня, как правило, построена с применением процессоров цифровой обработки сигналов и благодаря этому, она производится в реальном масштабе времени без длительного накопления информации. Отраженный, а значит и результирующий сигнал, несущий в себе информацию об уровне измеряемого объекта, содержат также и различные шумовые и паразитные составляющие, это связано с тем, что измерение производится в реальных условиях возможных волнений объекта, неполных отражений радиосигнала и его частичного поглощения поверхностью измеряемого продукта. Поэтому результирующий сигнал подвергают спектральному анализу. Для этого полученный сигнал внутри датчика уровня оцифровывается, и преобразуется в «спектр». Далее при помощи специальных алгоритмов спектрального анализа, в реальном масштабе времени фильтруются паразитные составляющие сигнала и с высокой точностью определяется частота результирующего сигнала, соответствующая уровню измеряемого объекта. Результатом обработки является значение того или иного параметра объекта: дальность, скорость, направление движения или других. В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и с модулированным сигналом. В уровнемерах с модулированным сигналом происходит постоянное непрерывное излучение частотно-модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямо пропорциональна расстоянию до контролируемого объекта. Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности. В радарных уровнемерах, независимо от типа, применяются СВЧ-излучения с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц. Чем выше частота, тем более узок луч и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение. Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой 5,8..10 ГГц. Другой важной характеристикой влияющей на формирование сигнала является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала. Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35..40 м (в условиях спокойной поверхности). Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции. Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня. Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до ±1 мм.) и применяются в системах коммерческого учета. Радарные уровнемеры – наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до ±1 мм.), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем они не свободны от недостатков: «загрязнение» окружающей территории СВЧ излучением; относительно высокая стоимость данных приборов; при монтаже на крыше резервуара не учитывается изменение геометрии резервуара при перепадах температуры. Внешний вид уровнемера УЛМ-11, предназначенного для высокоточного бесконтактного измерения уровня жидких продуктов и сыпучих материалов в резервуарах показан на рис. 1.14. Уровнемер применяется для измерения уровня жидких продуктов таких как нефть, бензин, дизельное топливо, мазут, кислота, щелочь, битум, масло, спирт (пищевой), метанол, вода, фенол и т.д., и измерения уровня сыпучих материалов таких как угольная пыль, уголь, цемент, щебень, сажа (технический углерод) и т.д.
В связи с тем, что радарные датчики уровня не имеют контакта с измеряемым объектом, их можно использовать в сложных условия, в частности, при высоком давлении, высоких температурах, при нахождении паров и газов над поверхностью. По сравнению с ультразвуковыми уровнемерами, радарные способны обеспечить большую точность измерения, обладают меньшей зоной нечувствительности, способны работать при больших давлениях в резервуаре. Современные радарные уровнемеры являются «интеллектуальными» устройствами, объединяющими в себе и измерительную часть, и обработку полученного сигнала. Часто представляют собой интерфейсные устройства. 1.5. Волноводные уровнемеры Волноводные уровнемеры по принципу работы подобны радарным, основное отличие – использование специальных зондов – волноводов, по которым передаются радиоимпульсы, в отличие от радарных, где электромагнитные импульсы свободно распространяются в пространстве резервуара. Когда импульс достигает поверхности, обладающей более высокой диэлектрической проницаемостью, чем пар, в котором он распространяется, импульс отражается. Излучаемые импульсы имеют очень низкую мощность и сконцентрированы вдоль зонда, следовательно, излучаемая энергия почти не теряется. Это означает, что сила отраженного сигнала (амплитуда) будет почти одинаковой независимо от длины зонда. Высокоскоростная схема синхронизации точно измеряет общее время распространения импульса и обеспечивает измерение уровня жидкости. Конструкция волноводного уровнемера представлена на рис. 1.15.
 Рис. 1.15. Волноводный уровнемер В зависимости от условий процесса производства и свойств среды, подлежащей измерению, используются различные типы зондов: коаксиальный, жесткий двухстержневой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный и гибкий однопроводный. Коаксиальный зонд применяется, когда необходимо измерение уровня внешней поверхности и уровня раздела двух жидкостей, например, растворителей, спиртов, водных растворов, сжиженных газов и жидкого аммиака. Этот зонд обеспечивает самое высокое отношение сигнал/шум. Рекомендуется для измерения уровня жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью, в условиях турбулентности, в в условиях возникновения пены или потоков жидкости или пара вблизи зонда, так как оболочка коаксиального зонда работает как успокоительный колодец. Двухстержневой жесткий или двухпроводной гибкий зонды рекомендуются для 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 стоит применять его при наличии липких сред. Одностержневой жесткий или однопроводной гибкий зонды менее восприимчивы к налипанию среды и образованию наростов. Они могут применяться для вязких жидкостей, взвесей, водных растворов и алкогольных напитков, а также использоваться в фармацевтической промышленности. Применяются для измерения уровня вязких жидкостей, например, сиропа, меда и т.п., а также водных растворов. Направленное микроволновое измерение уровня применяется в тех случаях, когда применение других приборов затруднительно, например ультразвуковые приборы могут отказывать из-за высокого содержания пыли или при недостаточной энергии, отраженной сухими сыпучими продуктами или густой пеной. Часто применяются в малых и узких резервуарах. Волноводные уровнемеры способны работать в жестких условиях: высокие температуры (до 600 °С), высокое давление (до 100 бар), сильное бурление жидкости, резервуары с работающей мешалкой, пары и газы над поверхностью жидкости, сильное запыление (например, угольная пыль, цемент). Они не боятся налипаний продукта, не «фонят» по СВЧ, меряют уровень от дна. При упоре излучателя на днище резервуара и свободе перемещения в области крыши, температурное изменение геометрии не влияет на точность измерения. Внешний вид волноводных уровнемеров представлен на рис. 1.16.   а б Рис. 1.16. Волноводные уровнемеры: а – Horizon 704; б – Rosemount серии 3300 1.6. Вибрационные уровнемеры Вибрационные сигнализаторы уровня применяются для измерения граничных значений жидкостей. Модульная конструкция приборов позволяет использовать их в емкостях, резервуарах и трубопроводах. Благодаря универсальной и простой измерительной системе, сигнализатор уровня практически не критичен к химическим и физическим свойствам жидкости. Он работает даже при неблагоприятных условиях, таких как турбулентность, пузырьки воздуха. Вибрационные сигнализаторы уровня способны измерять уровень почти всех жидкостей. Вибрирующий элемент приводится в действие пьезоэлектрическим методом и вибрирует с механической резонансной частотой приблизительно 1200 Гц. Пьезоэлементы закреплены механически и не подвергаются воздействию теплового удара. При погружении вибрирующего элемента в измеряемую среду частота изменяется. Это изменение частоты улавливается встроенным генератором и преобразуется в команду на переключение. Вибрационные уровнемеры, как правило, компактны и могут работать без внешней обработки сигнала, имеют встроенный блок электроники, который обрабатывает сигнал уровня и преобразует его (в зависимости от типа встроенного генератора) в соответствующий выходной сигнал. При помощи этого выходного сигнала можно работать с подключенными дополнительными устройствами напрямую (например, системой предупреждающей сигнализации, ПЛК, насосами и т.д.). Вибрационные уровнемеры – это лучшее решение для липких сред. Конструкции ряда вибрационных уровнемеров представлены на рис. 1.17. 1.7. Акустические (ультразвуковые) уровнемеры В акустических, или ультразвуковых, уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности сыпучего материала или жидкости и обратно (рис. 1.18). При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над измеряемой поверхностью, уровнемер называется акустическим; если внутри – ультразвуковым уровнемером. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень, во втором – наоборот. Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал.   а б |
