Средства измерений уровня
Под уровнем понимают степень заполнения технологических аппаратов и емкостей жидкостью. Измерение уровня осуществляется как в технологических аппаратах, с цель управления режимом их работы, так и в парках сырья и готовой продукции в резервуарах, где выполняются товаро-учетные операции.
Сейчас есть много принципов измерения уровня, чтос вязано с важностью этого параметра. Чаще используются следующие срества измерений уровня (уровнемеры): визуальные., поплавковые, буйковые, ультразвуковые, гидростатические, радарные, волновые радарные, емкостные.Визуальные уровнемеры ( рис. 26)
Принцип действия основан на законе сообщающихся сосудов. Здесь к технологическому аппарату подключается уровнемерное стекло 2 или для надежность несколько стекол. При открытов вентиле 3 и закрытом 4, жидкость из аппарата поступает в уровнемерное стекло 2. В нем устанавливается уровень, несущий информацию об уровне жидкости в аппарате. Диаметр стекла 1-10-20мм существенно меньше диаметра аппарата, при воздействии внешней температуры, температура в стекле может отличаться от температуры в аппарате, поэтому отличаются и плотности. При измерении уровня закрывают вентиль 3, открывают вентиль4 и сливают жидкость из стекла. Затем закрывают вентиль 4 и открывают вентиль 3 и жидкость опять заполняет стекло. Это повторяют 3-4 раза. Чтобы стекло приобрело нужную температуру. Значение уровня определяется по шкале на стекле. Погрешность +-1-2мм.
Поплавковые уровнемеры
Они являются наиболее распространенными средствами измерения уровня. Сущестует множество их конструкций.
Узкого диапазона
Они нужны для измерения уровня обычно в технологических аппаратах. Принцип действия основан на перемещении жидкой средой поплавка, размещенного на ее поверхности.
Различают фланцевые и камерные уровнемеры. Первые устанавливаются с помощью фланцера 2 на технологический аппарат. Поплавок имеет форму пустотелого шара из нержавеющей стали. Через штангу 4 поплавок соединен с осью 5, угол поворота которой можно наблюдать по шкале и при помощи преобразователя (П) в унифицированный сигнал. Ось во внешнюю среду выводится через специальное уплотнение. Неудобство: при неисправности надо останавливать аппарат для ремонта устройства. Чаще используются камерные уровнемеры. Тут камера 6 сообщается с аппаратом через открытый вентиль 7, что обеспечивает равенство уровня в аппарате и в камере. Диапазон измерений от +-10мм до ++200мм. Класс точности 1,5.Широкого диапазона
Принцип действия аналогичен. Поплавок из материала, способного плавать, или пустотелый, способен перемещаться вверх или вниз, а для исключения перемещения поплавка 2 в горизонтальной плоскости в емкости 1 устанавливаются две направляющие 3. Поплавок через канатик 8 соединен с противовесом 6, который нужен для натяжения каната. Он перемещается в роликах 4 и 5, считывание показаний осуществляется по шкале 7, по положению стрелки на противовесе. Для передачи показаний ролик 5 соединен с преобразователем угловых перемещений П. Диапазон измерений максимальный 14м. Обычно погрешность +-10мм. Существуют приборы с погрешностью +-1,5мм. Тут канатик делают из инвара, чтобы исключить изменение длины от температуры.
Герконовые поплавковые уровнемеры
Геркон - герметичный контакт. Принцип действия основан на подключении герметичных контактов к электрической цепи под действием магнита, размещенного в поплавке (рис. 27).
Уровнемер содержит трубу скольжения ТС(рис. Б), изготовленную из диэлектрического материала, вдоль которой способен перемещаться поплавок П, снабженный магнитом.
Схема включения герконов показана на рис. А. А на рис. В схема, ей эквивалентная. Все резисторы герконов ключены последовательно и образуют делитель напряжению, к которому подводится стабилизированное напряжения питания. При размещении поплавка около какого-либо геркона, контакт геркона под действием магнитного поля поплавка замыкается. Между этим контактом и общим проводом снимается (рис. В) выходное напряжение. Оно определяет значение уровня в аппарате. Напряжение способное изменяться ступенями и высота ступени зависит от напряжения питания и числа герконов. Выпускаются герконовые уровнемеры с погрешностью 5, 10 и 20мм и значением уровня до 10м.
Поплавковый уровнемер с магнитомеханическим отсчетным устройством( рис. 28)
В нем используется набор цилиндров 6, которые размещены по высоте камеры 5, передние стенки которой прозрачные. В аппарате установлена направляющая 2, по которой перемещается поплавок 3, снабженный магнитом 4. При перемещении магнита, цилиндры 6, внутри которых размещен стержневой магнит, способны поворачиваться в прямом и обратном направлении на 180 градусов. Одна половина цилиндров красная (синяя), другая белая. При перемещении магнита, цилиндры, составляющие совокупность I, оказываются повернутыми светлой сторонок к окну. Таким образом, по числу окрашенных цилиндров можно судить о значении уровня. Диапозон Измерений до 10м. Погрешность +-10мм.
Буйковые уровнемеры (рис. 29)
Буйком называют цилиндр, изготовленный из материала, имеющего плотность, большую плотности жидкости. Принцип действия основан на измерении силы выталкивания буйка жидкостью, находящейся в аппарате. Тут используется уравновешивание моментов, создаваемых буйков, моментом силы, создаваемым унифицированным преобразователем П (электрическим, пневматическим, частотным). Буек располагается в аппарате 1 на сильфоне 4.
Он подвешивается на измерительном рычаге 2 и сособен поворачиваться вокруг точки О. На противоположном конце рычага размещается противовес 5. Вес противовеса и его плечо при настройке выбираются такими, которые обеспечивают уравновешивание буйка 3, когда он не затапливается жидкостью. Когда жидкость начинает его затапливать, возникает сила Архимеда А, которая старается выталкивать буек. При этом под действием противовеса рычаг будет поворачиваться вокруг точки О по часовой стрелке. Эти перемещения рычага воспринимаются преобразователем П. Вырабатывается сила Rx, которая своим моментом, действующим против часовой стрелки, уравновешивает измерительную систему. В положении равновесия справедлива формула 1. М1- момент, создаваемый буйком, его описывает формула 2, где G –вес буйка, l1 - плечо. М2 – момент, создаваемый противовесом и уравновешивающий силой Rx. Из 1-3 находим формулу 4. Принимая условие равенства моментов в отсутствии затопления буйка, находим формулу 5. Представляя силу Архимеда через плотность жидкости, площадь поперечного сечения буйка и ускорение свободного падания, получаем 6. Если принять, что сила Rx пропорциональна току, можно получить уравнение 8 и 9. Из последнего следует, что ток на выходе такого преобразователя, который есть сигнал уровнемера, пропорционален высоте уровня жидкости в аппарате. Диапазон измерений 0-40мм, 0-12м. Класс точности 0,25-1.Гидростатические уровнемеры
Их принцип действия основан на измерении гидростатического давления столба жидкости, заполняющего аппарат. Есть много конструкций таких уровнемеров.
Гидростатические уровнемеры с преобразователем давления (рис. 30)
Гидростатическое давление на рис. А. можно измерить с помощью манометра с пружинным чувствительным элементом. Это измерение может быть выполнено, если плотность жидкости в аппарате постоянна, если аппарат работает при атмосферном давлении и если манометр расположен на уровне, на котором определяется значение параметра, то есть если его расположить ниже или выше Н0, то его показания будут нести информацию ещё о давлении столба жидкости подводящей линии.
Промышленные уровнемеры с преобразователем давления реализуются по схемам б) и в). Рисунок б – встраиваемый гидростатический уровнемер, а в – погруженный. В первом случаем ПД встраивается в технологический аппарат, а во втором он подвешивается на соответствующих проводниках и соединяется с ВП. В качестве датчиков используются пьезорезистивные и емкостные преобразователи давления. Такие датчики используются для измерения уровня в аппаратах, работающих без избыточного давления. Диапазон измерений 0-0,4м, 0-25м. Погрешность +-0,1%.Измерения уровня с помощью дифференциальных манометров (рис. 31)
Схема а) – измерение уровня в открытых резервуарах. Тут плюсовая камера преобразователя разности давлений ПРД (дифманометра) подключается к технологическому аппарату, а минусовая к уравнительному сосуду УС, который заполняется жидкой средой, как в аппарате до начального значения уровня Н0. Аппарат и сосуд соединяются с дифманометром с помощью импульсных трубок ИТ. Схема б) – измерение уровня в аппарате, работающем под избыточным давлением. Тут минусовая камера ПРД соединяется с аппаратом, а плюсовая с уравнительным сосудом, который соединен с помощью трубки Т с паровым пространством технологического аппарата. Уровень жидкости в этом сосуде поддерживается максимально возможным Нмакс, так как пары продукта, находящегося в аппарате, попадают в уравнительный сосуд, конденсируются в нем, а за счет наклона трубки в сторону аппарата, стекает в этот аппарат. Уровень жидкости в УС всегда постоянен. Такая схема позволяет исключить из результатов измерений переменное избыточное давление в аппарате, так как оно поступает сразу и в плюсовую, и в минусовую камеру дифманометра. Погрешность определяется классом точности. Для схемы а) шкала измерительной системы является обращенной, то есть максимальный выходной сигнал формируется при минимальном значении уровня.
Прибор для измерения уровня продувкой (рис.
32)
Принцип измерения уровня продувкой состоит в непрерывной подаче в пьезометрическую трубку, погруженную в жидкость, газа и измерении давления этого газа. Трубка размещается в аппарате 1, её материал подбирается так, чтобы исключалась реакция между жидкой средой. Заполняющей аппарат, и материалом трубки. Из стабилизатора давления 4 непрерывно подается газ (например, воздух, азот – если среда взрывоопасная). Для ограничения расхода газа в цепь включается дроссель 3, сопротивление которого подбирается так, чтобы расход газа составлял 60-100мл/мин. При больших расходах газа, как показывает практика, имеет место падение давления в трубке 2, связанное с трением газа о стенки трубки и возникает дополнительная погрешность. При меньших расходах и при значительном уровне может возникать запаздывание в формировании показаний, которое связано с накапливанием газа в трубке и последующим его истечением через открытый нижний торец трубки. При названных условиях давление в трубке определяется гидростатическим давлением столба жидкости. При постоянной плотности это давление определяется уровнем. Это давление измеряется с помощью преобразователя давления 5 с унифицированным сигналом. Погрешность измерений уровня определяется классом точности датчика давления. В отличие от других гидростатических принципов измерения уровня этот обеспечивает возможность измерения уровня агрессивных, вязких… сред.