Уровень. Многообразие уровнемеров и расходомеров, предлагаемых в настоящее время

• Название: Многообразие уровнемеров и расходомеров, предлагаемых в настоящее время
• Дата: 20.12.2021
• Размер: 0.49 Mb.
• Имя файла: Уровень.docx
• Тип: Документы; #311193
• страница: 3 из 3

Рис. 1.17. Вибрационные уровнемеры:

а – Liquiphant M FTL 50, FTL 51, FTL 50 H, FTL 51 Н;

б – вибрационный датчик уровня VibraSwitch VSS

            
Рис. 1.18. Схема работы акустического измерителя уровня
Промышленностью выпускаются ультразвуковые уровнемеры предназначенные для контроля одного уровня, двух уровней, или для контроля двух уровней в одном технологическом проеме.

Основное назначение акустических уровнемеров – для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе взрывоопасных, агрессивных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов с диаметром гранул и кусков от 5 до 300 мм, при температуре контролируемой среды от минус 30 ^оС до плюс 120 ^оС.

На рис. 1.19 представлен внешний вид акустического бесконтактного датчика уровня ЭХО-АС-01, предназначенного для автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе агрессивных, взрывоопасных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов.

Среди акустических уровнемеров есть класс накладных сигнализаторов уровня. Такие датчики устанавливаются на наружние поверхности резервуара и определяют «заполнен ли до данного уровня».



Рис. 1.19. Акустический бесконтактный датчик уровня ЭХО-АС-01
Достоинства ультразвуковых уровнемеров:

• 
  отсутствие контакта с продуктом;
  
• 
  акустические уровнемеры самые дешевые из всех бесконтактных датчиков уровня.
  
• 
  возможно применение для различного вида жидкостей и сыпучих продуктов.
  

Недостатки:

• 
  акустический сигнал плохо реагирует на наличие пены на поверхности продукта;
  
• 
  влияние на результат избыточного давления в емкости;
  
• 
  ограничение на температуру продукта измерения;
  
• 
  невозможность применения данного метода измерения в вакууме;
  
• 
  при монтаже на крыше резервуара при изменениях температуры не учитывается изменение геометрии резервуара.
  

1.8. Радиационный уровнемер

Определенные типы радиационного излучения легко могут проникать через стенки промышленный емкости, но степень поглощения излучения продуктом, находящимся в данной емкости, может существенно различаться. Следовательно размещая радиоактивный источник с одной стороны емкости и измеряя радиацию с другой стороны емкости детектором, можно определить уровень продукта. Определенные типы излучений рассеиваются технологическим продуктом. Соответственно уровень такого продукта может быть измерен с помощью измерений отраженного уровня радиации.

Существуют четыре основных типа излучения – альфа-частицы (α), бета частицы (β), гамма – лучи (γ) и нейтроны (n). Альфа-частицы – ядра гелия и Бета частицы легко обнаруживаются, но имеют очень небольшую мощность излучения и практически не используются для измерения уровня. Гамма – лучи являются электромагнитными по своей природе и имеют большую проникающую способность. Нейтронное излучение также проникает через металл очень эффективно, но может быть рассеяно любым веществом, содержащим водород (например, вода, углеводороды и много других жидкостей). Данное свойство делает нейтронное излучение практически идеальным для измерения уровня большого количества технологических жидкостей. Эти последние две формы радиации (гамма –лучи и нейтронное излучение) больше всего распространены в промышленных измерениях уровня. Гамма – лучи используются в измерениях уровня через две стенки емкости, нейтронное излучение используется при применении эффекта рассеивания.

Радиационные уровнемеры используются для сложных условий эксплуатации: ядовитые, токсичные, радиоактивные, сильно коррозирующие жидкости, при высокой температуре и давлениях. Для использования подобных уровнемеров требуются специальные разрешения.
1.9. Метрологические характеристики уровнемеров

Основные метрологические характеристики уровнемеров любых ти­пов следующие:

статическая функция преобразования (градуировочная характерис­тика), описывающая связь выходных сигналов первичного преобразова­теля с текущими значениями измеряемой величины – уровня,

основная погрешность;

вариация показаний;

дополнительные погрешности, обусловленные конструктивными особенностями уровнемеров, взаимодействием чувствительного элемен­та датчика со средами, образующими поверхность раздела.

Указанный комплекс характеристик определяется при градуировке, поверке, аттестации и испытаниях уровнемеров.

Кроме того, для уровнемеров, работающих в системах автоматичес­кого управления технологическими процессами, измеряющих быстропеременные значения уровня, необходимо нормировать и оценивать динамические характеристики (постоянную времени, переходную характеристику и т.д.).

К числу методических погрешностей, присущих любым процессам измерения уровня жидкостей, относятся: погрешность ориентации дат­чика в сосуде и температурная.

Погрешность (Δ_п) из-за неправильной пространственной ориентации датчика возникает вследствие неточностей установки сосуда, монтажа датчика уровнемера на нем, деформации несущих элементов транспор­тируемых сосудов при их заполнении и опорожнении, неравномерной осадки фундаментов стационарных емкостей – хранилищ и т. д. Все это, в конечном счете, приводит к несовпадению трассы измерения уровня с перпендикуляром к поверхности раздела сред.

На рис. 1.20 изображен случай, когда сосуд, в котором измеряется уровень жидкости, наклонен относительно горизонтали на угол _1.

Погрешность Δ_п в этом случае
 , (1.1)
где l – смещение точки установки датчика на базовой поверхности от оси симметрии сосуда.

На рис. 1.20 показан также случай, когда датчик уровнемера смонтирован под углом ₂ к вертикальной оси сосуда. В этом случае погреш­ность Δ_н



 , (1.2)

где Н – верхний предел измерений уровнемера, h – текущее значение уровня.
Р


ис. 1.20. Иллюстрация случая, когда сосуд, в котором измеряется

жид­кость, находится в на­клонном состоянии
В наихудшем случае (при «наихудшем» расположении системы дат­чик–сосуд) обе указанных погрешности погрешности (Δ_п и Δ_н) будут суммиро­ваться.

Методическая температурная погрешность (Δ_t) обусловливается температурными изменениями размеров системы датчик – сосуд. Значе­ние этой погрешности зависит от расположения точки крепления датчи­ка относительно базовой плоскости (от которой ведется отсчет уровня) и построения чувствительного элемента датчика. В зависимости от по­строения чувствительного элемента датчики уровнемеров подразделяют на зондовые и базовые. Для зондовых датчиков (рис. 1.21) характерно наличие вытянутого чувствительного элемента («зонда»), глубина по­гружения которого в жидкость и является мерой ее уровня.

При базовых датчиках (рис. 1.22), например, – акустических, уровень измеряется путем фиксации расстояния между поверхностью раздела и излучающей поверхностью датчика.






Рис. 1.21. Зондовый датчик Рис. 1.22. Базовый датчик

Температурная погрешность при использовании зондовых датчиков и креплении их на верхней крышке сосуда
 (1.3)
где  , – линейные размеры (высота) зонда и сосуда, a_д, а_с– коэффициенты линейного расширения материалов датчика (зонда) и сосуда, Δ_t изме­нение температуры от характерной для нормальных условий. При нижнем креплении зондовых датчиков
 . (1.4)
Методическая температурная погрешность при использовании базо­вых датчиков определяется теми же формулами (1.3) и (1.4) при ус­ловии a_д = 0. При нижнем креплении базовых датчиков методическая температурная погрешность, как следует из формулы (1.4), отсутст­вует.

В ряде случаев для того, чтобы создать более благоприятные условия измерений, устранить волнения поверхности жидкости, обеспечить возможность визуального отсчета и т. д., датчики уровнемеров помещают в специальные камеры, сообщающиеся с полостью сосуда, в котором измеряется уровень. В этом случае вследствие гидравлического сопротив­ления каналов, связывающих камеры с основным сосудом, возникает дополнительная методическая погрешность Δ_д , обусловленная «отста­ванием» уровня жидкости в полости камеры. Значение «отставания», а следовательно, и погрешности Δ_д тем больше, чем больше скорость из­менения уровня и вязкость контролируемой жидкости.

Значение погрешности Δ_д может быть оценено по приближенной формуле

 , (1.5)
где   суммарный коэффициент сопротивления соединительного канала (сумма коэффициентов местных сопротивлений и коэффициента гидрав­лического сопротивления канала), v  скорость изменения уровня в сосуде, d_c, d_к  диаметры сосуда и соединительного канала.

Используемые в промышленном производстве, научных исследованиях типы измерений, с указанием особенностей и характерных погрешностей сведены в таблицу приложения 1.
Контрольные вопросы

1. Каковы основные элементы визуального уровнемера?

2. Какие проблемы возникают при работе с уровнемерами жидкости?

3. Каковы особенности измерения уровня сыпучих веществ?

4. Перечислите типы механических уровнемеров.

5. Как измерить раганицу раздела двух несмешивающихся жидкостей?

6. Каков принцип действия поплавкого уровнемера?

7. Каков принцип действия буйкового уровнемера?

8. На каком физическом принципе действия основан гидростатический уровнемер?

9. Как работает кондуктометрический уровнемер?

10. Какой уровнемер называется емкостным?

11. Какие факторы ограничивают точность кондуктометрического метода измерения?

12. Каков принцип работы радарного уровнемера?

13. Какие факторы сдерживают повсеместное использование радарных уровнемеров?

14. Чем отличается волноводный уровнемер от радарного ?

15. какие типы сигналов используются в микроволновых уровнемерах?

16. Как работает вибрационный уровнемер?

17. Как работает акустический уровнемер?

Каковы достоинства и недостатки акустического уровнемера?

18. Каковы основные источники ошибок при измерении уровня жидкости и сыпучих материалов?

19. Какие типы зондов используются в волноводных уровнемерах?


ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица П1.

Типы измерения уровня жидкости и сыпучих сред

Тип измерения	Физический принцип измерения	Возмож-ность бесконтакт-ного измерения	Погреш-ность	Ограничения при применении
Барботерный	Через барбортерную трубку в резервуар подается воздух или инертный газ. Сила давления подачи газа преобразуется в уровень.	нет	1-2 %	Вводит в измеряемую жидкость инородное вещество. Трудоемко в обслуживании.
Емкостной	Изменение диэлектрической проницаемости между электродами.	нет	1-2 %	Невозможно обнаружение пены.
Кондуктомет- рический	Преобразование изменения электрического сопротивления между электродом датчика и стенкой резервуара или электродами датчика.	нет	2-3 мм	Может использоваться только на электропроводных материалах.
Мембранный	Измерение гидростатического давления на дне резервуара.	нет	0,5 %	Применение только при неизменном давлении внутри резервуара.
Дифференциаль- ного давления	Измерение разницы давления в нижней  и верхней части резервуара  выше уровня жидкости.	нет	0,1 %	Ограничения при измерении уровня суспензий и шламов,.
Дисплейсерный	Используется выталкивающая сила, действующая на поплавок или буек. С поплавком или буйком жестко связан магнит.	нет	0,5 %	Не рекомендуется для измерения уровня отстоя, жидкостей содержащих шлам и твердые взвеси.
Поплавковый	Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по трубе скольжения, в которой находятся герметизированные магнитоуправляемые контакты.	нет	1 %	Фактическое положение уровня, различное для веществ с различной плотностью. Можно использовать только в очищенных жидкостях.
Лазерный	Измерение временного интервала между излученным и отраженным световым импульсом.	да	0,05 %	Ограниченно для мутных жидкостей, сыпучих материалов с различием отражающих свойств частиц. Неприемлемо при наличии пара и в прозрачных резервуарах.
Магнитный уровнемер	Поплавок с магнитом двигается вверх и вниз по внутренней части немагнитной трубки, магнитные элементы прикрепленные снаружи, в стеклянной трубке переворачиваются цветной гранью когда магнит достигает их уровня.	нет	5 мм	Не рекомендуется для измерения уровня отстоя, жидкостей содержащих шлам и твердые взвеси.
Микроволновый	Высокочастотные микроволновые импульсы направляются вдоль по стальному тросу или стержню. Достигнув поверхности продукта, микроволновые импульсы отражаются от нее. Исходя из времени прохождения импульса, рассчитывается значение расстояния.	да	10 мм	Ограничено применение при толстом слое пены
Оптический	Изменение коэффициента преломления ИК-излучения на границе перехода двух сред. Одна из сред - линза самого датчика, а вторая - непосредственно окружающая среда.	да	5 мм	Ограничено применением в чистых жидкостях, при этом требуется достаточное свободное пространство в месте установки датчика
Радарный	В результате взаимодействия излученного и отраженного сигналов возникает сигнал разностной частоты, пропорциональной расстоянию от антенны излучателя до поверхности продукта.	да	2-3 мм	Брызги, кипение, волнение, пенообразование и т.п.
Радиоизотопный	Действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества.	да	5 мм	Требуется разрешение на применение
Байпасный	Уровень в трубе установленной сбоку резервуара в виде сообщающегося сосуда  соответствует уровню в резервуаре.	нет	10 мм	Опасно при применении на резервуарах работающих под давлением.
Ротационный	При контакте лопасти с материалом, происходит останов двигателя.	нет	20-30 мм	Неприменим для жидкостей, вязких и налипающих материалов, крупных фракций, пылевидных веществ.
Лотовый	Лот, закрепленный на конце измерительного троса/ленты опускается при помощи электромотора в емкость. Как только груз соприкасается с материалом, формируется сигнал.	нет	1-100 мм	Низкая надежность работы в условиях высокой запыленности, а также при работе с мелкодисперсными материалами.
Вибрационный	Лопасти сигнализатора уровня, испытывая пьезоэлектрическое воздействие, вибрируют на механической резонансной частоте. Затухание колебаний (изменение амплитуды), возникающее вследствие покрытия лопастей датчика материалом, формирует сигнал.	нет	10-15 мм	Налипание материала на лопасти может привести к остановке процесса измерения.
Тепловой	Сигнализатора состоит из двух температурных датчиков. Один из датчиков измеряет температуру среды. Второй имеет более высокую температуру за счет принудительного нагревания. При появлении протока или увеличении уровня продукта температура нагретого датчика уменьшается. При достижении разности температур заданного порога срабатывает  реле.	нет	10-15 мм	Наличие пены и других образований с теплопередачей отличной от среды измерения приводят к погрешностям.
Ультразвуковой	Основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно.	да	1 %	Не допускается пыль, пена, роса, пар, неравномерная поверхность, «пушистые» материалы.
Магнитострикци-онный	Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по трубе скольжения, в которой находится волновод - натянутая проволока из магнитострикционного материала.	нет	≤ 1 мм	Фактическое положение уровня, различное для веществ с различной плотностью. Можно использовать только в очищенных жидкостях.