10624

С уменьшением веса буйка уменьшается и создаваемый им момент M1. Чтобы привести штангу 2 в состояние равновесия, противовес 4 опускается ниже на некоторую величину, двигая при этом рычаг 3, передающий перемещение поплавка вторичному преобразователю 5.

Современные буйковые уровнемеры изготавливаются для измерений уровней жидкостей в диапазоне от 0,025 до 16 м.

6.5. Гидростатические уровнемеры

Гидростатические уровнемеры работают по принципу определения гидростатического давления жидкости на дно резервуара.

Высота уровня жидкости h, м, определяется по формуле

gρж

130

Из формулы (6.4) видно, что при известном гидростатическом давлении pст, Па, для определения уровня достаточно знать плотность контролируемой жидкости ρж, кг/м3, и ускорение свободного падения g.

Измерение гидростатического давления может осуществляться датчиком избыточного давления, дифференциальным манометром, датчиком гидростатического давления и с помощью пьезометрического метода измерения [39].

Внешний вид и схема подключения датчиков избыточного давления и дифференциального давления для контроля за уровнем жидкости в открытом резервуаре приведены на рис. 6.5 [20]. Первая схема (рис. 6.5, а) непригодна для измерений уровней жидкости находящихся под избыточным давлением. Использование второй схемы (рис. 6.5, в) целесообразно только при расположении дифференциального манометра на одном уровне с жидкостью, когда измеряемый перепад давления на нем будет равен гидростатическому давлению.

В том случае если дифференциальный манометр располагается ниже нижней отметки измерения на высоту h1, м, применяют схемы с уравнительным сосудом, приведенные на рис. 6.6, а при проведении измерений в закрытом резервуаре, находящемся под избыточным давлением, – схему, показанную на рис. 6.7. Для последней схемы измеряемый манометром перепад давления определяется по формуле

Для измерения уровня жидкостей широко используются датчики гидростатического давления (рис. 6.8, а), представляющие собой устройства с двумя измерительными камерами, одна из которых является открытой мембраной, а вторая – штуцером. Данные датчики присоединяются непосредственно к дну емкости. Типовые схемы присоединения приведены на рис. 6.8.

Существует и пьезометрический способ измерения уровня жидкости в емкостях, заключающийся в измерении давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, которая заполняет резервуар. Пьезометрические уровнемеры применяются для контроля уровня агрессивных, кристаллизующихся жидкостей.

131

Рис. 6.5. Внешний вид и схемы подключения датчиков гидростатических уровнемеров (а, в – подключение датчика избыточного давления и дифференциального манометра соответственно к емкости, сообщающейся с атмосферой, для измерения гидростатического давления жидкости; б, г – внешний вид датчиков избыточного давления и дифференциального манометра (EJX, производитель ООО «Иокогава Электрик СНГ») соответственно): 1 – емкость; 2 – датчик избыточного давления; 3 – дифференциальный манометр

132

133

Рис. 6.6. Схемы измерения уровня открытого резервуара с помощью дифференциальных манометров с применением урав-

нительного сосуда (а – с нижним присоединенением уравнительного сосуда; б – с верхним присоединением уравнительного со-

Рис. 6.7. Схема измерения уровня резервуара с помощью дифференциального манометра с использованием уравнительного сосуда в емкости под избыточным давлением: 1 – емкость; 2 – дифференциальный манометр; 3 – уравнительный сосуд; 4 – уравновешивающая импульсная трубка

6.6. Электрические уровнемеры

Принцип работы электрических уровнемеров заключается в преобразовании уровня жидкости в электрический сигнал. Электрические уровнемеры подразделяются на омические и емкостные.

Определение уровня жидкости емкостным уровнемером основано на отличии диэлектрической проницаемости воздуха и измеряемой жидкости. Схема емкостного уровнемера показана на рис. 6.9 [42]. В емкость 4 опущен преобразователь, представляющий собой два цилиндрических конденсатора (трубы), один из которых расположен внутри другого. Между трубами находится слой жидкости высотой h.

Емкость преобразователя в данном случае равна сумме емкостей двух участков: погруженного в жидкость с диэлектрической проницаемостью εж; находящегося в среде с диэлектрической проницаемостью εср (воздух).

134

Зависимость емкости преобразователя C, Ф, от высоты h имеет вид [43]

C = 0,24 εжh + εср (H − h) , (6.6) lg(D / d )

где h – измеряемый уровень, м; H – максимально возможная измеряемая высота емкости, м; D, d – наружный и внутренний диаметр преобразователя, м.

При измерении уровней агрессивных сред обкладки цилиндрического преобразователя изготавливают из химически стойкого сплава либо покрывают антикоррозионной пленкой.

Омические уровнемеры используются для сигнализации о поддержании необходимого уровня жидкости. Схема работы омического уровнемера приведена на рис. 6.10 и заключается в замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду. При необходимости контроля одного уровня достаточно одной пары электрод 1 – электромагнитное реле 2.

Сигналом о снижении уровня жидкости ниже контролируемой высоты служит размыкание цепи, как показано на рис. 6.10, б.

К недостаткам электродных приборов следует отнести невозможность их применения в вязких, кристаллизующихся средах, а также для контроля за уровнем веществ, образующих твердые осадки и налипающих на электроды.

6.7. Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковые уровнемеры являются приборами бесконтактного действия, в которых используется принцип отражения звуковых волн от поверхности контролируемой среды. На рис. 6.11 приведена принципиальная схема работы ультразвукового уровнемера. Электронный блок 3 управляет частотой повторения ультразвуковых импульсов, которые передаются от уровнемера 2 к поверхности среды, отражаются от неё и возвращаются назад.

Время t, с, между моментом посыла и возвращения импульса находится в следующей зависимости от уровня среды h, м:

где с – скорость распространения ультразвука в измеряемой среде, м/с.

135

136

Рис. 6.8. Схемы измерения уровня с использованием датчиков гидростатического давления (а – внешний вид датчика гидростатического давления (EJX, производитель ООО «Иокогава Электрик СНГ»); б – для емкости под атмосферным давлением; в – для емкости под избыточным давлением без уравнительного сосуда; г – то же с уравнительным сосудом): 1 – емкость; 2 – датчик гидростатического давления; 3 – уравновешивающая импульсная трубка; 4 – уравнительный сосуд

137

Рис. 6.10. Схемы работы омического уровнемера (а – одного уровня; б – двух уровней): 1 – измерительные электроды; 2 – электромагнитные реле; 3 – источник питания / вторичный преобразователь; 4 – емкость

138

Рис. 6.9. Схема работы емкостного уров-немера: 1 , 2 – цилиндрические конденсаторы; 3 – источник питания/вторичный преобразователь; 4 – емкость

Ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня практически любых веществ. Достоинствами приборов являются: возможность измерения уровня загрязненных жидкостей; бесконтактность; длительный срок службы; независимость от плотности контролируемой среды.

К недостаткам ультразвуковых уровнемеров следует отнести: применяемость только в емкостях с нормальным атмосферным давлением; влияние пыли, пара, газовых смесей и пены на точность измерений.

6.8. Волноводные уровнемеры

Волноводные уровнемеры – это приборы для измерения уровня контактного типа, их принцип работы основан на технологии рефлектометрии интервала времени. Схема работы и внешний вид волноводного уровнемера приведены на рис. 6.12. Волноводный уровнемер 2 передает электромагнитные импульсы малой мощности по жёсткому или гибкому зонду 4 каждую наносекунду. Импульсы перемещаются со скоростью света. Достигнув поверхности измеряемой среды, импульсы отражаются в обратном направлении, при этом интенсивность отражения зависит от диэлектрической проницаемости среды. Временной интервал между моментом подачи и возвращения импульсов пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды.

При известной высоте емкости 1 это позволяет определить высоту уровня жидкости или отметку границы раздела двух жидких сред, имеющих разные значения диэлектрической проницаемости.

Свойства среды влияют на выбор конструкции зонда уровнемера, которая может быть: коаксиальной; жесткой одностержневой и двухстержневой; гибкой однопроводной и двухпроводной. Длина коаксиального зонда обычно не превышает 6 м, жестких зондов – 3 м, а гибких – 23,5 м.

Выбор применяемого типа зонда зависит от физико-химических свойств контролируемой среды (диэлектрической проницаемости, вязкости, способности к налипанию и кристаллизации и пр.), а также наличия пара, потоков жидкости, взвесей и пены вблизи контролируемого уровня среды.

139