Общие сведения об измерении уровня

Классификация средств измерения уровня

Уровнем называют высоту заполнения технологического объекта

(емкости, резервуара, аппарата) рабочей средой — жидкостью или

сыпучим веществом. Информация об уровне является ключевой для

организации контроля и управления технологическими процессами

при добыче, транспорте и переработке нефтепродуктов. Уровень из-

меряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют

уровнемерами.

По принципу действия уровнемеры можно подразделить на сле-

дующие группы:

• визуальные;

• поплавковые, которые основаны на определении положения

поплавка, находящегося на поверхности жидкости или на границе

двух сред;

• буйковые, которые основаны на измерении выталкивающей

силы, действующей на массивное тело (буек), частично погруженное

в жидкость;

• гидростатические, основанные на измерении гидростатическо-

го давления столба жидкости;

• электрические, в которых используется зависимость измеряе-

мого уровня от электрических параметров рабочей среды (диэлектри-

ческая проницаемость, проводимость);

• акустические, основанные на принципе отражения от поверх-

ности жидкости звуковых волн;

• радарные, основанные на принципе отражения от поверхности

сигнала сверхвысокой частоты (СВЧ);

• радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности

потока ядерных излучений, зависящего от уровня жидкости.

Акустические и радарные уровнемеры относятся к бесконтактно-

му, а остальные — к контактному типу.

Приведенная классификация является общепринятой и охваты-

вает широко распространенные уровнемеры. Существуют уровнеме-

ры, в которых используется комбинация нескольких принципов

действия.

СИ уровня делятся также на приборы для непрерывного слежения

за уровнем (собственно уровнемеры) и приборы для сигнализации

о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня). По диапа-

зону измерения различают уровнемеры широкого (0... 20) м и узко-

го (0 ± 0,5) м диапазонов.

Уровнемеры непрерывного действия

Визуальные уровнемеры

К визуальным уровнемерам относятся мерные рейки, рулетки,

уровнемерные стекла и т.д. Наиболее распространенными уровне-

мерами данного вида являются уровнемерные стекла, действующие

по закону сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяется

с емкостью 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 емкости. Указательные стекла

снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и

продувки системы. Из-за низкой прочности указательные стекла не

рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контро-

ле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают не-

сколько стекол так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ

последующего.

Указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и тем-

пературу до 300 "С. Абсолютная погрешность измерения уровня с

помощью уровнемерных стекол составляет ± (1...2) мм.

Поплавковые уровнемеры

Поплавковые м е х а н и ч е с к и е уровнемеры являются наиболее

простыми среди существующих разновидностей уровнемеров. Полу-

чили распространение поплавковые уровнемеры узкого (0 ± 200) мм

и широкого (0...20) м диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого

диапазона обычно представляют собой устройства, содержащие ша-

рообразный или цилиндрический поплавок диаметром 80...200 мм,

выполненный из нержавеющей стали или полипропилена. Поплавок

плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное

сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измеритель-

ного прибора, либо с преобразователем угловых перемещений в

унифицированный электрический или пневматический сигнал. Класс

точности этих уровнемеров составляет 1.5. Поплавковые уровнемеры

широкого диапазона представляют собой поплавок, связанный с

грузом гибким тросом. В нижней части груза укреплена стрелка,

указывающая на шкале значения уровня жидкости в резервуаре. При

расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные

параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия

системы «поплавок—груз» только при определенной глубине погру-

жения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в

роликах, состояние равновесия системы «поплавок—груз» описыва-

ется уравнением

где G r , G u — силы тяжести груза и поплавка соответственно; S — пло-

щадь поперечного сечения поплавка; h1, — глубина погружения по-

плавка; рж — плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения по-

плавка и создает дополнительную выталкивающую силу, действую-

щую на нее. В результате приведенное выше равенство нарушается,

и груз поднимается до тех пор, пока глубина погружения поплавка не

станет равной А,. При понижении уровня действующая на поплавок

выталкивающая сила уменьшается, и поплавок начинает опускаться

до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной /г,.

Абсолютная погрешность измерения выпускаемых уровнемеров со-

ставляет ± 4 и ±10 мм.

В поплавковых м а г н и т о с т р и к ц и о н н ы х уровнемерах

(рис. 4.1) для определения положения поплавка используется магни-

тострикционный эффект. Направляющая труба 1 содержит в себе

волновод 2 (тонкая проволока из никелевого сплава), по которому

через фиксированные промежутки времени распространяются ко-

роткие импульсы тока. При распространении импульса тока возни-

кает радиальное магнитное поле вокруг волновода. Поплавок 3 с по-

стоянным магнитом 4 перемещается вместе с изменением уровня по

трубе. При пересечении магнитного поля токового импульса с маг-

нитным полем постоянного магнита в месте нахождения поплавка в

волноводе возникает крутильная деформация (магнитострикционный

эффект), которая в виде механической (ультразвуковой) волны рас-

пространяется вдоль волновода с известной скоростью в оба конца.

Пьезоэлемент, размещенный в корпусе 5 вторичного преобразовате-

ля, преобразует полученные механические волны в электрический

импульс. С помощью микропроцессорной электроники измеряется

интервал времени между отправленным и принятым импульсами,

который пропорционален измеряемому уровню.

Буйковые уровнемеры

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на

погруженное в жидкость тело действует со стороны жидкости вы-

талкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна массе жидко-

сти, вытесненной телом. Количество вытесненной жидкости зависит

от глубины погружения тела, т.е. от уровня жидкости в емкости.

Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень пре-

образуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Чувстви-

тельным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический

буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности

жидкости. Зачастую буек выполнен в виде трубы из нержавеющей

стали, запаянной с обеих концов, к одному из которых приделан

крючок. Буек находится в вертикальном положении и частично по-

гружен в жидкость.

Длина буйка подбирается приближенной к максимальному из-

меряемому уровню в аппарате.

При изменении уровня жидкости в аппарате согласно закону Ар-

химеда выталкивающая сила, действующая на буек, равна

где рж — плотность измеряемой жидкости; g — ускорение свободно-

го падения; V— объем вытесненной буйком жидкости; S— площадь

поперечного сечения буйка; h — длина буйка, погруженного в жид-

кость.

Выталкивающее усилие измеряется различными способами — на-

пример, во вторичном измерительном преобразователе с помощью

тензоэлемента преобразуется в сопротивление, а затем в унифици-

рованный сигнал, например в ток.

Минимальный диапазон измерений буйковых уровнемеров со-

ставляет (0...0,02) м, максимальный — (0... 16) м. Буйковые уровне-

меры применяются при температуре рабочей среды от - 40 до +400 °С

и давлении до 16 МПа. Основная приведенная погрешность буйковых

уровнемеров лежит в пределах 0,5... 1,5 %.

Гидростатические уровнемеры

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к

измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом

жидкости h постоянной плотности р, согласно равенству

P=pgh.

Измерение гидростатического давления может осуществляться не-

сколькими способами. Самый простой из них — измерение уровня

манометром (М), подключаемым на высоте, соответствующей нижне-

му предельному значению уровня. Применяемый для этих целей ма-

нометр может быть любого типа с соответствующими пределами из-

мерений.

Измерение гидростатического давления таким методом целесо-

образно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении.

В противном случае показания М будут складываться из гидроста-

тического и избыточного давлений. Для измерения уровня жидкости

в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое

применение получили дифференциальные манометры, подключае-

мые к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному

значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью. С по-

мощью дифманометров возможно также измерение уровня жидкости

в открытых резервуарах и уровня раздела жидкостей.

Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жид-

костей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они

позволяют производить измерения в диапазоне до 250 кПа, что соот-

ветствует уровню 25 м (для воды), с точностью до 0,1 % при избыточ-

ном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды в диапазоне

-40... + 120 "С. Важным достоинством гидростатических уровнемеров

является высокая точность при относительной дешевизне и простоте

конструкции. Существенным недостатком является большая погреш-

ность от изменения температуры контролируемой среды.

Емкостные уровнемеры

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимо-

сти электрической емкости чувствительного элемента от уровня

жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы вы-

полняются в виде коаксиально расположенных цилиндрических

электродов или параллельно расположенных плоских электродов.

Для неэлектропроводных жидкостей применяется уровнемер,

схема которого показана на рис. 4.2. В этом уровнемере чувствитель-

ный элемент состоит из двух коаксиально расположенных электродов

/ и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют ци-

линдрический конденсатор, межэлектродное пространство которого

до высоты h заполнено жидкостью, а пространство Нh — парога-

зовой смесью. В общем виде электрическая емкость цилиндрическо-

го конденсатора определяется уравнением

где в — относительная диэлектрическая проницаемость вещества,

заполняющего межэлектродное пространство; ε0 — электрическая

постоянная; Н — высота электродов; D, d — диаметры наружного и

внутреннего электродов соответственно.

Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное простран-

ство которого заполняется веществами, обладающими различными

диэлектрическими проницаемостями, полная емкость Сп определя-

ется выражением

Сп = С0+ С1 + C2,

где С0 — емкость проходного изолятора; С, — емкость межэлектрод-

ного пространства, заполненного жидкостью; С2 — емкость межэлек-

тродного пространства, заполненного парогазовой смесью.

Таким образом, полная емкость чувствительного элемента будет

равна

Таким образом, емкость чувствительного элемента пропорцио-

нальна уровню жидкости. Для измерения уровня электропроводных

жидкостей электроды конденсатора покрывают фторопластовой изо-

ляцией.

Преобразование электрической емкости в сигнал измерительной

информации осуществляется импульсными методами. В основе им-

пульсных методов лежат переходные процессы в У?С-цепи, периоди-

чески подключаемой к источнику питания. Используются также

неуравновешенные мосты переменного тока, в одно из плеч которо-

го включается емкость первичного преобразователя.

Условия применения емкостных уровнемеров по характеристикам

рабочей среды: температура -40... + 200 "С, давление — до 2,5 МПа,

диапазон измерения — до 3 м (30 м — для гибких и тросовых чув-

ствительных элементов). Основная приведенная погрешность ем-

костных уровнемеров лежит в пределах от 1 до 3 %.

Емкостные уровнемеры чаще применяют для измерения уровня

чистых, однородных и неэлектропроводных жидкостей (бензин, ке-

росин). Это связано с тем, что такие факторы, как загрязнение

электродов, изменение диэлектрических свойств и электрической

проводимости измеряемой среды, приводят к недопустимой погреш-

ности измерений.

Акустические уровнемеры

В акустических уровнемерах (рис. 4.3) уровень определяют по

времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до

границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Функ-

ции источника и приемника ультразвуковых колебаний выполняет

пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает

электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом в

ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространя-

ются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды

и воспринимаются тем же пьезоэлементом. Уровень вещества h

определяется из выражения

где Н — высота резервуара; с — скорость распространения ультра-

звука в данной среде; / — время прохождения ультразвуком расстоя-

ния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до при-

емника излучения.

Преимуществом акустических уровнемеров является независи-

мость их показаний от физико-химических свойств и состава рабо-

чей среды. К недостаткам следует отнести влияние на показания

уровнемеров температуры, давления и состава газа, от которых за-

висит скорость звуковых волн. Скорость распространения ультра-

звука зависит от температуры — изменение составляет около 0,18 %

на 1 °С. Для устранения этого влияния в ультразвуковых уровнемерах

применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодат-

чика.

Диапазон работы акустических уровнемеров — до 25 м. Основная

приведенная погрешность измерений составляет 1 ... 2 %. Температур-

ный диапазон рабочей среды -30... + 120 "С, давление — до 4 МПа.

Радарные уровнемеры

Радарные уровнемеры — наиболее сложные и высокотехнологич-

ные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и

определения расстояния до объекта контроля здесь используется

электромагнитное излучение СВЧ-диапазона. Обычно рабочая ча-

стота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до

26 ГГц. Чем выше частота, тем уже луч и тем выше энергия излучения,

а следовательно, сильнее отражение.

В настоящее время в радарных системах контроля уровня при-

меняются преимущественно две технологии: с непрерывным частот-

но-модулированным излучением (FMCW — frequency modulated

continuous wave) и импульсным излучением сигнала.

Принцип действия уровнемера с частотно-модулированным

сигналом заключается в следующем (рис. 4.4, а). Микроволновый

генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого

изменяется во времени по линейному закону — линейный частотно-

модулированный сигнал. Этот сигнал излучается в направлении

продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное

время ∆t, зависящее от скорости света и расстояния до продукта,

возвращается обратно в антенну Излученный и отраженный сигналы

смешиваются в антенне уровнемера, и в результате образуется сигнал,

частота которого равна разности частот излученного и принятого

сигналов ДГи, соответственно, расстоянию от антенны до измеряе-

мого продукта (рис. 4.4, в). Дальнейшая обработка сигнала осуществ-

ляется микропроцессорной системой датчика уровня уровнемера и

заключается в точном определении разностной частоты ∆f сигнала и

пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара.

В радарных уровнемерах импульсного типа используется метод

определения расстояния, основанный на непосредственном измере-

нии времени прохождения СВЧ-импульса от излучателя до контро-

лируемой поверхности и обратно. Радарные уровнемеры импульсно-

го типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, исполь-

зующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы

вне зависимости от природы их источника разнесены во времени,

что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее

энергопотребление импульсных уровнемеров составляет единицы

мкВт (пиковая мощность при излучении СВЧ-импульса составляет

около 1 мВт), что позволяет использовать для их подключения двух-

проводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным

токовым сигналом 4... 20 мА; в приборах, работающих по технологии

FMCW, энергопотребление существенно выше из-за непрерывного

характера излучения, а также постоянно выполняемой математиче-

ской обработки эхо-сигнала. И в-третьих, в импульсных уровнемерах

электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще,

а сама обработка выполняется исключительно аппаратными сред-

ствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих на-

дежность прибора получается потенциально выше.

Радарные уровнемеры — наиболее универсальные средства изме-

рения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой

средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднород-

ных 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. Радар-

ные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до 1 мм), что по-

зволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем

существенным сдерживающим фактором применения радарных уров-

немеров остается высокая стоимость данных приборов.

Диапазон измерения радарных уровнемеров достигает 40 м при

спокойной поверхности контролируемой жидкости. Абсолютная по-

грешность измерения уровня может составлять ± 1 мм в диапазоне

до 30 м.

Дата: 2018-12-28, просмотров: 84.