Приборы для измерения и регулирования уровня
Главная / Продукция / Приборы для измерения и регулирования уровня
Указатели уровня Сигнализаторы уровня
Датчики уровня кондуктометрические
Датчики уровня поплавковые
Датчики уровня ротационные
Датчики контроля и измерения уровня сыпучих материалов и жидких сред INNOLevel
Датчики INNOLevel для сыпучих материалов | Датчики INNOLevel для жидких сред |
Контроллеры уровня
Принцип работы
Механические и магнитные поплавковые уровнемеры
Принцип действия основан на замыкании поплавком контактов, расположенных на различных уровнях направляющего стержня. В магнитных поплавковых уровнемерах используются герконы, а в механических – микровыключатели.
Преимущества
– просто
– дёшево
Недостатки
– контактный метод, при выборе поплавка необходимо учитывать: химическую совместимость со средой, плавучесть, вязкость, плотность и температуру
– не подходит для измерения уровня очень вязкой жидкости, шлама
– а также жидкости, которая прилипает к поплавку и стержню
– или содержит металлические кусочки, которые могут вызвать ложные срабатывания магнитных выключателей.
Магнитострикционные уровнемеры
Это поплавковые уровнемеры непрерывного действия, в которых используются магнитострикционный эффект. Поплавок с постоянным магнитом внутри перемещается вдоль направляющего стержня, в котором натянута проволока из магнитострикционного материала (волновод). В волновод подаются токовые импульсы. В месте расположения магнита (поплавка) при взаимодействии магнитного поля с током, возникают импульсы продольной деформации, которые регистрируются пьезоэлементом вверху стержня. Время прохождения импульса пропорционально расстоянию до поверхности.
Буйковые уровнемеры
На частично погружённый в жидкость буёк действует выталкивающая сила Архимеда, пропорциональная глубине погружения.
Ультразвуковые уровнемеры (Ultrasonic)
Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на измерении времени распространения звуковой волны высокой частоты (20-200 кГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.
Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения уровня вязких жидкостей и сыпучих материалов.
Недостатки
– звуковой сигнал не может распространяться в вакууме
– на показания оказывают влияние: температура, влажность, давление, турбулентность, пена, пар, изменение концентрации жидкости.
Микроволновые радарные уровнемеры (Radar)
Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения электромагнитной волны (радиоволны) сверхвысокой частоты (1-30 ГГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.
Радары подходят для использования во влажной, туманной и пыльной среде, а также при переменной температуре.
Импульсный метод – измерение времени прохождения импульса до поверхности и обратно – очень сложно реализовать, т.к. это время измеряется в наносекундах.
Более распространён способ непрерывного линейного частотного модулирования радиосигнала – FMCW (Frequency Modulated Continuous-Wave). При этом способе излученный и отражённый сигналы смешиваются, и образуется сигнал, частота которого равна разности частот этих сигналов. Эта разность пропорциональна расстоянию от антенны до поверхности.
Преимущества
– радиоволны могут распространяться и в вакууме, на них не влияет температура, давление, влажность и пыль
Недостатки
– электромагнитные волны поглощаются (не отражаются) диэлектриками (пластмасса, стекло, бумага и т.д.)
– высокая цена (чем выше частота, тем точнее измерения и тем дороже)
Гидростатическое измерение уровня
Используется зависимость давления столба жидкости от уровня.
Давление столба жидкости измеряется с помощью дифференциальных датчиков давления – один датчик измеряет давление на дне резервуара, а другой – давление над поверхностью жидкости.
Емкостные уровнемеры (Capacitance)
В резервуар опускается конденсатор, представляющий собой длинную трубку с металлическим стержнем внутри. Вместе с резервуаром заполняется и трубка – из-за разной диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха ёмкость конденсатора изменяется пропорционально уровню.
В качестве опорного электрода (внешних обкладок конденсатора) могут использоваться стенки резервуара.
Кондуктометрические сигнализаторы уровня
Используются для контроля уровня в проводящих жидкостях. В резервуар опускается пара электродов, и как только уровень повышается так, что электроды оказываются погружёнными в жидкость – уменьшается сопротивление между электродами и срабатывает выключатель. Для контроля нескольких уровней используются несколько пар электродов разной длины.
Вибрационные сигнализаторы уровня (Vibrating Switch)
Применяются для сигнализации уровня жидких и сыпучих веществ. Используется эффект камертона – в резонаторе, имеющем форму вилки, пьезоэлектрическим способом возбуждаются механические резонансные колебания, которые затухают и гасятся при погружении резонатора в сыпучее вещество.
Как выбрать
Измеряемая среда
– Измеряемая среда (жидкость, шлам, ил, сыпучее и т.п.)
– Диапазон рабочих температур измеряемой среды
– Давление измеряемой среды
– Электрическая проводимость
– Плотность
– Вязкость
– Диэлектрическая проницаемость
– Прилипает к зонду
– Содержит металлические включения
– Есть пена на поверхности
Окружающая среда
– Температура окружающей среды
– Влажность
– Наличие агрессивных сред
– Взрывоопасная зона
Технология
Хранение
– жидкости
– сыпучего вещества
Сепарация (определение уровня разделения несмешивающихся жидкостей)
Процесс (перемешивание, нагрев)
Реактор (химический процесс)
Измерение уровня
– Непрерывное
– Дискретное (сигнализация уровня), количество уровней
Способ измерения уровня
Контактный:
– поплавковый
– буйковый
– емкостной
– гидростатический
Бесконтактный:
– радарный
– ультразвуковой
– радиоактивный
Конструкция резервуара
– Наличие оборудования в ёмкости (циркуляционный насос, мешалка, нагреватель и т.
п.)
– Размеры
– Материал
– Верх (открытый, форма крышки)
– Форма дна
– Расположение входных и выходных труб
– Место установки датчика, присоединение (фланцевое, врезное).
Измерение
– Диапазон измерения уровня
– Погрешность измерения
Преобразователь
– Питание
– Индикатор
– Место установки
– Кабельный ввод
– Выходной сигнал:
– Токовый 4…20 мА
– Релейный выход
– Полевая шина:
– HART
– PROFIBUS PA
– Foundation Fieldbus
Приборы измерения уровня | КИПиА Портал
Для измерения уровня жидкостей применяются специальные средства измерений – уровнемеры. Многообразие типов уровнемеров, принцип действия которых основан на различных физических методах, объясняется разнообразием свойств измеряемых жидкостей.
Наибольшее распространение получили следующие виды уровнемеров:
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3.
Гидростанические уровнемеры;
4. Пьезометрические уровнемеры;
5. Дифманометрические уровнемеры;
6. Радиоактивные уровнемеры;
7. Акустические и ультразвуковые уровнемеры;
8. Емкостные уровнемеры.
Уровнемер с визуальным отсчетом — уровнемер, основанный на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Уровень жидкости измеряют в стеклянной трубке, сообщающейся с контролируемым сосудом в нижней, а иногда и в верхней части, или же при помощи прозрачной вставки, помещенной в стенке контролируемого сосуда, например, барабанно-парового котла
Буйковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения буйка или силы гидростатического давления, действующей на буек (силы Архимеда).
Буек в отличие от поплавка не плавает на поверхности жидкости, а погружен в жидкость и перемещается в зависимости от ее уровня.
Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных, жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32 МПа), широком диапазоне температур (от –200 до +600 °С) и не обладающих свойствами адгезии (прилипания) к буйкам.
Главной особенностью буйковых уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей.
Недостатком буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16 м) диапазонов измерения уровней жидкостей и жидкостей, обладающих адгезией к буйку.
Пьезометрический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на преобразовании гидростатического давления жидкости в давление воздуха, подаваемого от постороннего источника и барботирующего через слой жидкости.
У этого уровнемера чувствительный элемент не находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, а воспринимает гидростатическое давление через воздух, что является его достоинством.
Для пьезометрических уровнемеров также характерна погрешность измерения из-за изменения плотности измеряемой среды.
Гидростатический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении манометром или напоромером гидростатического давления жидкости, зависящего от высоты ее уровня.
Уровнемеры этого вида обычно используют для измерения неагрессивных, незагрязненных жидкостей, находящихся под атмосферным давлением.
Для измерения уровней агрессивных сред используют специальные разделительные устройства.
Недостатком гидростатических уровнемеров является погрешность измерения при изменении плотности жидкости.
Поплавковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости (поплавок как бы отслеживает уровень жидкости).
Поплавковые уровнемеры не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой.
При измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.
Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровней в больших открытых резервуарах, а также в закрытых резервуарах с низким давлением.
Применение магнитной связи для передачи перемещения поплавка позволяет герметизировать вывод передачи в измерительный блок, упростить конструкцию, повысить надежность, измерять уровень в резервуарах под давлением.
Дифманометрический уровнемер — гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление измеряют при помощи дифференциального манометра. Часто используется для измерения уровня в емкостях под избыточным давлением.
Акустический уровнемер — уровнемер, основанный на зависимости интенсивности поглощения или времени распространения акустических колебаний от высоты уровня жидкости или сыпучего вещества
Ультразвуковой уровнемер — акустический уровнемер, работающий на звуковых колебаниях высокой частоты
Емкостной уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.
В связи с этим по мере погружения электродов датчика уровнемера в жидкость изменяется емкость между ними пропорционально уровню жидкости в резервуаре.
Остановимся на некоторых типах уровнемеров подробней.
Уровнемеры буйковые
Настройка уровнемеров на заданные пределы измерения проводится с помощью грузов путем имитации гидростатической выталкивающей силы, соответствующей верхнему пределу измерений.
Расчетное значение давления, соответствующее верхнему пределу измерений,
Расчет массы грузов для буйковых уровнемеров:
для жидкости
для раздела фаз
где d – диаметр буйка испытываемого уровнемера, см; Hmax – верхний предел измерения уровня жидкости, см; ρж – плотность измеряемой жидкости, г/см3; ρ н.ж, ρ в.ж — плотности соответственно нижней и верхней измеряемой жидкости в случае измерения уровня раздела фаз, г/см3.
Пьезометрические уровнемеры.
В пьезометрических системах измерения уровня для продувания через трубку помещенную в жидкость, дозированного расхода воздуха. Принцип действия этого регулятора основан на автоматическом поддержании постоянного перепада давления на дросселе, в результате чего обеспечивается постоянный расход воздуха через этот дроссель.
Принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня в открытом резервуаре представлена на рисунке 2, а, б, в, г.
На рисунке 2, д показана принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением. Для исключения влияния давления в резервуаре на показания прибора, измеряющего уровень жидкости, применяется дифференциальный метод измерения с двумя регуляторами расхода. От одного регулятора расхода воздух подается в пьезометрическую трубку, от другого в верхнюю часть резервуара над жидкостью. Разность давлений в трубках, пропорциональная уровню жидкости, измеряется дифманометром.
В системах измерения нижний конец пьезотрубки должен находится на нижнем контролируемом уровне жидкости, но не ниже 80 мм от дна резервуара.
Расход воздуха устанавливается минимальным, чтобы перепад давления на пьезотрубке был возможно меньшим, так как это определяет погрешность измерения пьезометрическим методом.
Минимальный расход воздуха обеспечивается постоянным, без запаздывания, выходом воздуха из пьезометрической трубки при изменениях уровня.
Обычно расход воздуха принимается равным 0,1 – 0,2 м3/ч.
Если пренебречь перепадом давления на пьезометрической трубке, то уровень в резервуаре
где Р – давление на манометре М или перепад давления на дифманометре; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
В случае, когда измеряется уровень в резервуаре, находящемся под избыточным давлением, давление питания регулятора расхода воздуха, подающего воздух в пьезотрубку, должно быть:
где Ризб – избыточное давление, кПа; Нмаксρg – максимальное гидростатическое давление столба жидкости, кПа.
Рисунок 2. Обвязка пьезометрических уровнемеров.
На рисунке 2, е показан пример обвязки и монтажа пьезометрического уровнемера с подачей промывочной воды в защитную трубу. В этом случае защищается от «обрастания» нижний конец пьезотрубки, который оказывается в зоне промывочной воды и не контактирует с измеряемой жидкостью.
Гидростатические датчики уровня.
Схемы обвязки и работы гидростатических датчиков уровня представлены на рисунке 3, причем правая обвязка применяется при измерении уровня жидкости в емкости, находящейся под избыточным давлением.
Рисунок 3. Обвязка гидростатических уровнемеров.
В этом случае импульсная трубка, идущая к минусовой полости чувствительного элемента, прокладывается от места отбора давления с уклоном в верх, а в нижней части устанавливаются отстойный сосуд и разделитель мембранный РМ.
Рисунок 4. Измерение уровня в котле (100% — 4 мА/0,2 кгс/см2, 0% — 20 мА/1 кгс/см2)
Очень хорошо себя показал данный принцип измерения уровня на очень сложной позиции при измерении уровня воды в котле (рисунок 4). Обвязка при этом не классическая, а на оборот т.е. на плюсовой отбор подается отбор с верней точки котла (импульсная трубка при этом должна быть заполнена водой), на минус с нижней, и задается обратная шкала прибора (на самом приборе или вторичном оборудовании).
Десяток способов измерения уровня жидкости и принципы их работы – Измерение уровня | Датчики уровня | Датчики уровня
Технология измерения уровня на этапе перехода
Самым простым и старейшим промышленным устройством для измерения уровня является, конечно же, смотровое стекло.
Ручной подход к измерению, смотровые очки всегда имели ряд ограничений. Материал, используемый для обеспечения прозрачности, может потерпеть катастрофический отказ с последующим воздействием на окружающую среду, опасными условиями для персонала и/или пожаром и взрывом. Уплотнения склонны к протечкам, а отложения, если они есть, затемняют видимый уровень. Можно безоговорочно заявить, что обычные смотровые стекла являются самым слабым звеном любой установки. Поэтому они быстро заменяются более передовыми технологиями.
К другим устройствам определения уровня относятся устройства, основанные на удельном весе, физическом свойстве, наиболее часто используемом для определения уровня поверхности. Простой поплавок, имеющий удельный вес между технологической жидкостью и паром свободного пространства, будет плавать на поверхности, точно следуя ее подъемам и падениям. Измерения гидростатического напора также широко использовались для определения уровня.
Когда речь идет о более сложных физических принципах, новые технологии часто используют компьютеры для выполнения расчетов.
Для этого требуется отправка данных в машиночитаемом формате с датчика в систему управления или мониторинга. Полезными форматами выходного сигнала преобразователя для компьютерной автоматизации являются токовые петли, аналоговые напряжения и цифровые сигналы. Аналоговые напряжения просты в настройке и работе, но могут иметь серьезные проблемы с шумами и помехами.
Простейшая и старейшая промышленная передача сигналов — токовые петли 4–20 мА (где ток петли изменяется в зависимости от измерения уровня) — наиболее распространенный выходной механизм на сегодняшний день. Токовые петли могут передавать сигналы на большие расстояния с меньшим ухудшением качества. Цифровые сигналы, закодированные в любом из нескольких протоколов (например, Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus и RS-232), являются наиболее надежными, но более старые технологии, такие как RS-232, могут работать только на ограниченных расстояниях. Новые беспроводные возможности можно найти в сигналах новейших передатчиков, что позволяет передавать их на огромные расстояния практически без ухудшения качества.
Что касается более продвинутых технологий измерения (например, ультразвуковых, радарных и лазерных), более сложные цифровые форматы кодирования требуют цифрового компьютерного интеллекта для форматирования кодов. Сочетание этого требования с потребностью в расширенных коммуникационных возможностях и схемах цифровой калибровки объясняет тенденцию к внедрению компьютеров на базе микропроцессоров практически во все устройства для измерения уровня (см. рис. 1).
Установленные технологии измерения уровня
В этой статье мы предполагаем, что плотность пара в свободном пространстве (обычно воздуха) пренебрежимо мала по сравнению с плотностью технологической жидкости. Предположим также, что в резервуаре находится только одна однородная технологическая жидкость. Некоторые из этих технологий можно использовать для многоуровневых приложений, когда две или более несмешивающихся жидкостей находятся в одном сосуде.
1. Стеклянный уровнемер. Доступные в различных исполнениях, как бронированные, так и незащищенные, стеклянные указатели используются уже более 200 лет в качестве простого метода измерения уровня жидкости.
Преимуществом такой конструкции является возможность видеть истинный уровень через прозрачное стекло. Обратной стороной является возможность разбития стекла, что может привести к разливу или безопасности персонала.
2. Поплавки . Поплавки работают по простому принципу: плавучий объект с удельным весом, промежуточным между технологической жидкостью и паром в свободном пространстве, помещают в резервуар, а затем прикрепляют механическое устройство для считывания его положения. Поплавок опускается на дно паров свободного пространства и плавает над технологической жидкостью. В то время как сам поплавок является основным решением проблемы определения местоположения поверхности жидкости, считывание положения поплавков (т. е. выполнение фактического измерения уровня) по-прежнему проблематично. В ранних поплавковых системах для передачи уровня использовались механические компоненты, такие как тросы, ленты, шкивы и шестерни. Сегодня популярны поплавки с магнитами.
Ранние поплавковые датчики уровня обеспечивали имитацию аналогового или дискретного измерения уровня с использованием сети резисторов и нескольких герконов, что означает, что выходной сигнал датчика изменяется дискретно.
В отличие от устройств непрерывного измерения уровня, они не могут различать значения уровня между ступенями.
Гидростатические устройства
3. Буйки, 4. Баблеры и 5. Датчики перепада давления являются гидростатическими измерительными устройствами. Таким образом, любое изменение температуры вызовет изменение удельного веса жидкости, равно как и изменения давления, влияющие на удельный вес пара над жидкостью. Оба приводят к снижению точности измерения. Вытеснители работают по принципу Архимеда. Как показано на рисунке 2, в сосуде подвешена колонна из твердого материала (вытеснитель). Плотность буйка всегда больше, чем плотность технологической жидкости (он будет тонуть в технологической жидкости), и он должен простираться от самого низкого требуемого уровня до, по крайней мере, самого высокого измеряемого уровня. По мере повышения уровня технологической жидкости колонна вытесняет объем жидкости, равный произведению площади поперечного сечения колонны на уровень технологической жидкости в буйке.
Выталкивающая сила, равная этому вытесненному объему, умноженному на плотность технологической жидкости, давит на буек вверх, уменьшая силу, необходимую для его поддержки против силы тяжести. Преобразователь, связанный с преобразователем, отслеживает и связывает это изменение силы с уровнем.
Датчик уровня барботажного типа показан на рисунке 3. Эта технология используется в сосудах, работающих при атмосферном давлении. Погружная трубка с открытым концом вблизи открытого сосуда подает продувочный газ (обычно воздух, хотя может использоваться инертный газ, такой как сухой азот, когда существует опасность загрязнения или окислительной реакции с технологической жидкостью) в бак.
По мере того, как газ течет вниз к выходному отверстию погружной трубки, давление в трубке повышается до тех пор, пока не превысит гидростатическое давление, создаваемое уровнем жидкости на выпускном отверстии. Давление равно плотности технологической жидкости, умноженной на ее глубину от конца погружной трубки до поверхности, и контролируется датчиком давления, подключенным к трубке.
Датчик уровня дифференциального давления (DP) показан на рис. 4. Важным измерением является разница между общим давлением на дне резервуара (гидростатическим напором жидкости плюс статическое давление в сосуде) и статическим или напорным давление в сосуде. Как и в барботере, перепад гидростатического давления равен плотности технологической жидкости, умноженной на высоту жидкости в сосуде. В устройстве на рис. 4 в качестве эталона используется атмосферное давление. Вентиляционное отверстие в верхней части удерживает давление над головой равным атмосферному давлению.
В отличие от барботеров датчики перепада давления могут использоваться в невентилируемых (находящихся под давлением) сосудах. Все, что требуется, это соединить эталонный порт (сторона низкого давления) с портом в сосуде выше максимального уровня заполнения. В зависимости от физических условий технологического процесса и/или расположения преобразователя относительно присоединений к процессу все же могут потребоваться продувки жидкостью или барботеры.
6. Тензодатчики. Тензодатчик или тензодатчик, по сути, представляет собой механический опорный элемент или кронштейн, оснащенный одним или несколькими датчиками, обнаруживающими небольшие деформации опорного элемента. При изменении силы на тензодатчике кронштейн слегка изгибается, что приводит к изменению выходного сигнала. Были изготовлены калиброванные тензодатчики с допустимым усилием от долей унции до тонны.
Для измерения уровня тензодатчик должен быть встроен в опорную конструкцию судна. По мере того, как технологическая жидкость заполняет сосуд, сила на тензодатчике увеличивается. Зная геометрию сосуда (в частности, его площадь поперечного сечения) и удельный вес жидкости, можно легко преобразовать известное значение выходного сигнала тензодатчика в уровень жидкости.
Несмотря на то, что тензодатчики имеют преимущества во многих приложениях из-за их бесконтактного характера, они дороги, а опорная конструкция сосуда и соединительные трубопроводы должны быть спроектированы с учетом требований тензодатчика к плавающему основанию.
Общий вес сосуда, трубопроводов и соединительных конструкций, поддерживаемых сосудом, будет взвешиваться нагрузочной системой в дополнение к желаемому весу нетто или продукта. Этот общий вес часто создает очень плохой динамический диапазон для веса нетто, а это означает, что вес нетто составляет очень небольшой процент от общего веса. Наконец, рост несущей конструкции, вызванный неравномерным нагревом (например, утренним и вечерним солнечным светом), может быть отражен как уровень, так же как и боковая нагрузка, ветровая нагрузка, жесткие трубы и крепления от оборудования для предотвращения опрокидывания (для тензодатчиков, установленных снизу). . Короче говоря, требования к системе взвешивания датчика веса должны быть первостепенным соображением при первоначальном проектировании поддержки сосуда и трубопровода, иначе производительность быстро ухудшится.
7. Магнитные уровнемеры. Эти манометры (см. рис. 5) являются предпочтительной заменой смотровых стекол. Они похожи на поплавковые устройства, но сообщают о местоположении поверхности жидкости с помощью магнита.
Поплавок, несущий набор сильных постоянных магнитов, перемещается во вспомогательной колонне (поплавковой камере), прикрепленной к сосуду с помощью двух технологических соединений. Эта колонна удерживает поплавок сбоку, так что он всегда находится близко к боковой стенке камеры. По мере того, как поплавок перемещается вверх и вниз по уровню жидкости, вместе с ним перемещается намагниченный челнок или гистограмма, показывая положение поплавка и тем самым обеспечивая индикацию уровня. Система может работать только в том случае, если вспомогательная колонна и стенки камеры выполнены из немагнитного материала.
Многие производители предлагают конструкции поплавков, оптимизированные для удельного веса измеряемой жидкости, будь то бутан, пропан, масло, кислота, вода или границы раздела двух жидкостей, а также большой выбор материалов поплавков.
Это означает, что манометры могут работать при высоких температурах, высоком давлении и агрессивных средах. Поплавковые камеры увеличенного размера и поплавки с высокой плавучестью доступны для приложений, где ожидается накопление.
Камеры, фланцы и технологические соединения могут быть изготовлены из специальных пластиков, таких как Kynar, или экзотических сплавов, таких как Hastelloy C-276. Камеры специальной конфигурации могут работать в экстремальных условиях, таких как паровая рубашка для жидкого асфальта, увеличенные камеры для мгновенного испарения, температурные конструкции для жидкого азота и хладагентов. Многочисленные металлы и сплавы, такие как титан, инколой и монель, доступны для различных комбинаций высоких температур, высокого давления, низкого удельного веса и коррозионно-активных жидкостей. Современные магнитные уровнемеры также могут быть оснащены магнитострикционными и волноводными радарными передатчиками, что позволяет преобразовывать локальные показания уровнемера в выходные сигналы 4-20 мА и цифровую связь, которую можно отправлять на контроллер или систему управления.
8. Датчики емкости. Эти устройства (см. рис. 6) основаны на том факте, что технологические жидкости обычно имеют диэлектрическую проницаемость ᶓ, значительно отличающуюся от диэлектрической проницаемости воздуха, которая очень близка к 1,0..jpg)
Масла имеют диэлектрическую проницаемость от 1,8 до 5. Чистый гликоль — 37; водные растворы находятся в диапазоне от 50 до 80. Эта технология требует изменения емкости, которое изменяется в зависимости от уровня жидкости, создаваемого либо изолированным стержнем, прикрепленным к датчику и технологической жидкости, либо неизолированным стержнем, прикрепленным к датчику и либо стенке сосуда или эталонному зонду. По мере того, как уровень жидкости поднимается и заполняет все больше пространства между пластинами, пропорционально увеличивается общая емкость. Электронная схема, называемая емкостным мостом, измеряет общую емкость и обеспечивает непрерывное измерение уровня.
Современные технологии
Возможно, наиболее существенное различие между более ранними технологиями непрерывного измерения уровня жидкости и теми, которые сейчас набирают популярность, заключается в использовании времяпролетных измерений (TOF) для преобразования уровня жидкости в обычный выходной сигнал.
. Эти устройства обычно работают путем измерения расстояния между уровнем жидкости и контрольной точкой на датчике или преобразователе в верхней части сосуда. Система обычно генерирует импульсную волну в контрольной точке, которая проходит либо через паровое пространство, либо через проводник, отражается от поверхности жидкости и возвращается к датчику в контрольной точке. Электронная схема измерения времени измеряет общее время в пути. Разделив время движения на удвоенную скорость волны, мы получим расстояние до поверхности жидкости. Технологии различаются в основном типом импульса, используемого для измерения. Ультразвук, микроволны (радар) и свет оказались полезными.
9. Магнитострикционные датчики уровня. Преимущества использования магнита с поплавком для определения уровня жидкости уже установлены, а магнитострикция является проверенной технологией для очень точного считывания местоположения поплавка. Вместо механических связей магнитострикционные передатчики используют скорость крутильных волн вдоль провода, чтобы найти поплавок и сообщить о его местоположении.
В магнитострикционной системе (см. рис. 7) поплавок несет ряд постоянных магнитов. Провод датчика подсоединяется к пьезокерамическому датчику на преобразователе, а к противоположному концу трубки датчика прикрепляется приспособление для натяжения. Трубка либо проходит через отверстие в центре поплавка, либо примыкает к поплавку за пределами немагнитной поплавковой камеры.
Чтобы обнаружить поплавок, передатчик посылает короткий импульс тока по проводу датчика, создавая магнитное поле по всей его длине. Одновременно срабатывает схема синхронизации. Поле непосредственно взаимодействует с полем, создаваемым магнитами в поплавке. Общий эффект заключается в том, что в течение короткого времени, в течение которого протекает ток, в проводе создается скручивающая сила, очень похожая на ультразвуковую вибрацию или волну. Эта сила возвращается к пьезокерамическому датчику с характерной скоростью. Когда датчик обнаруживает волну напряжения, он генерирует электрический сигнал, который уведомляет схему синхронизации о приходе волны и останавливает схему синхронизации.
На основе этой информации местоположение поплавка очень точно определяется и представляется датчиком в виде сигнала уровня. Ключевые преимущества этой технологии заключаются в том, что скорость сигнала известна и постоянна в зависимости от технологических параметров, таких как температура и давление, а на сигнал не влияет пена, расходимость луча или ложные эхосигналы. Еще одним преимуществом является то, что единственной движущейся частью является поплавок, который перемещается вверх и вниз вместе с поверхностью жидкости.
10. Ультразвуковые датчики уровня. Ультразвуковые датчики уровня (см. рис. 8) измеряют расстояние между преобразователем и поверхностью, используя время, необходимое для прохождения ультразвукового импульса от преобразователя к поверхности жидкости и обратно (TOF). Эти датчики используют частоты в диапазоне десятков килогерц; время прохождения ~6 мс/м.
11. Лазерные нивелиры. Разработанные для сыпучих материалов, взвесей и непрозрачных жидкостей, таких как грязные отстойники, молоко и жидкий стирол, лазеры работают по принципу, очень похожему на принцип работы ультразвуковых датчиков уровня. Однако вместо скорости звука для определения уровня они используют скорость света (см. рис. 9). Лазерный излучатель в верхней части сосуда испускает короткий импульс света на поверхность технологической жидкости, которая отражает его обратно к детектору. Схема синхронизации измеряет прошедшее время (TOF) и вычисляет расстояние. Ключевым моментом является то, что лазеры практически не имеют рассеяния луча (расхождение луча 0,2 градуса) и ложных эхо-сигналов, и могут быть направлены в пространство размером всего 2 дюйма, 2.
12. Радарные уровнемеры. Воздушные радиолокационные системы излучают микроволны вниз от рупорной или стержневой антенны наверху судна. Сигнал отражается от поверхности жидкости обратно к антенне, а схема синхронизации рассчитывает расстояние до уровня жидкости, измеряя время прохождения туда и обратно (TOP). Ключевой переменной в радиолокационной технологии является диэлектрический контакт жидкости. Причина в том, что количество отраженной энергии на микроволновых (радарных) частотах зависит от диэлектрической проницаемости жидкости, и если Er низкое, большая часть энергии радара входит или проходит.
Вода (Er=80) дает превосходное отражение при изменении или неоднородности Er.
Передатчики волноводного радара (GWR) (см. рис. 10) также очень надежны и точны. Жесткий зонд или гибкая кабельная антенная система направляет микроволны вниз от верхней части резервуара к уровню жидкости и обратно к передатчику. Как и в случае радиолокатора, работающего в воздухе, изменение Er от более низкого к более высокому вызывает отражение. Волноводный радар в 20 раз более эффективен, чем воздушный радар, потому что направляющая обеспечивает более сфокусированный энергетический путь. Различные конфигурации антенн позволяют проводить измерения вплоть до ER=1,4 и ниже. Причем эти системы могут быть установлены как вертикально, так и в некоторых случаях горизонтально с изгибом направляющей до 9°.0 градусов под углом и обеспечивают четкий измерительный сигнал.
GWR обладает большинством преимуществ и некоторыми недостатками ультразвуковых, лазерных и радиолокационных систем под открытым небом.
Скорость волны радара в значительной степени не зависит от состава парового пространства, температуры или давления. Он работает в вакууме без необходимости повторной калибровки и может измерять через большинство слоев пенопласта. Ограничение волны, которая следует за зондом или кабелем, устраняет проблемы с распространением луча и ложные эхо-сигналы от стенок и конструкций резервуара.
Резюме
Общие тенденции в различных технологиях измерения отражают движущие силы рынка. Усовершенствованная цифровая электроника делает датчики уровня и другие измерительные устройства более удобными для пользователя, более надежными, простыми в настройке и менее дорогими. Усовершенствованные коммуникационные интерфейсы передают данные об измерении уровня в существующую систему управления и/или информационную систему компании.
Современные датчики уровня изготавливаются из все большего числа материалов и сплавов для работы в агрессивных средах, таких как масла, кислоты, а также при экстремальных температурах и давлениях.
Новые материалы помогают технологическим приборам выполнять специальные требования, например, узлы из материала с оболочкой из ПТФЭ для агрессивных сред и электрополированной нержавеющей стали 316 для соблюдения требований чистоты. Зонды, изготовленные из этих новых материалов, позволяют использовать контактные датчики практически в любых приложениях.
Шесть основных методов измерения или контроля уровня жидкости
Точное и точное измерение и мониторинг уровней жидкости требует выбора правильной методологии для целевой среды и сосуда. Как правило, вы выбираете один из шести методов измерения и контроля уровня жидкости, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:
- Непрерывные поплавковые датчики уровня
- Преобразователи перепада давления
- Тензодатчики
- Радарные уровнемеры
- Радиочастота (емкостные РЧ-датчики уровня)
- Ультразвуковой уровнемер
Непрерывные поплавковые датчики уровня
Датчик уровня поплавка Эти датчики уровня работают с помощью поплавка, подвешенного в жидкости или на ней из стержня, что-то вроде щупа, который посылает вибрацию по стержню на датчик.
Существует два основных типа. В магнитострикционных конструкциях поплавок несет магнит, который прерывает электрический импульс, посылаемый по стержню от датчика. Возвратная вибрация (импульс деформации) замеряется по времени и определяется уровень поплавка.
В резистивных датчиках уровня используется тот же стержень и магнитный поплавок; однако теперь стержень содержит герконы с резисторами. Когда поплавок поднимается и опускается, эти переключатели замыкаются и изменяют сопротивление цепи. Сопротивление указывает датчику положение поплавка.
Можно установить второй комплект поплавков и датчиков для измерения уровня двух разных жидкостей. Например, если вы хотите проверить подземный резервуар для хранения на предмет утечки воды, можно использовать два датчика, чтобы определить, плавает ли одна жидкость (масло) на другой жидкости (воде).
Эти измерения точны. Одним из преимуществ поплавкового измерения является точность в пенистых средах. Бесконтактные технологии, такие как ультразвук, в этих условиях могут давать ложные показания.
Требование контакта, однако, приводит к недостаткам. Вы можете не хотеть связываться со средой. Материалы вашего удилища или поплавка могут быть несовместимы со средой. Проблемы с температурой и плавучестью могут повлиять на точность результатов. Наконец, смещение поплавков и стержней в сосудах гораздо меньшего размера может привести к неточным результатам.
Непрерывные поплавковые датчики уровня подходят и точны для типовых применений.
Датчик перепада давления
Перепад давленияДатчики перепада давления, широко используемые во многих приложениях, могут использоваться для определения уровней жидкости путем определения разницы давления напора между портом низкого давления и портом высокого давления в его обычной конфигурации.
Разница давлений становится выходным сигналом, калиброванным для индикации уровня жидкости.
Тензодатчики
Миниатюрный метрический тензодатчик Тензодатчик — это метод преобразователя, который измеряет вес, механическую силу или нагрузку и создает выходной сигнал, который передает данные для экстраполяции на уровень жидкости.
Эти технологии варьируются от очень недорогих стандартных до специально разработанных и простых в установке, от легкодоступных до сложных. Ваша заявка определит целесообразность и рентабельность.
Мониторинг жидкости обычно не представляет сложности. Сила однонаправленная, статическая и повторяющаяся.
Возможны температурные колебания и проблемы с контактными технологиями.
Радарные уровнемеры
Волноводный радарный уровнемерРадар — это бесконтактный метод, который заключается в отражении электромагнитного импульса от поверхности жидкости и измерении времени, необходимого для возвращения импульса к датчику.
Чем быстрее возвращается пульс, тем выше уровень жидкости.
Преимущество бесконтактного измерения заключается в том, что характеристики среды не являются такими ограничительными. Однако радар лучше всего работает в металлических сосудах. Судно может запретить использование этой технологии определенным средам.
Например, сильно коррозионные среды нельзя хранить в стальном сосуде.
Радар может быть не лучшим выбором по этой причине.
Технология радарного зондирования требует некоторого времени на установку. Программное обеспечение должно быть установлено, чтобы вы могли калибровать оборудование.
Калибровка устраняет ложные эхо-сигналы внутри сосуда.
Эти ограничения и калибровки подразумевают еще одну проблему с радаром: портативность. Если ваше приложение требует измерения во многих резервуарах или более плотной жидкости ниже плавающего уровня, радар может быть не лучшим выбором.
Радарные датчики можно использовать, когда технологические материалы являются легковоспламеняющимися или грязными, а также когда состав или температура парового пространства меняются. Например, в чане пивоваренного завода, где характеристики воздуха в сосуде будут меняться по мере того, как дрожжи будут выделять больше CO2, образуя головной или пенный слой. В этом приложении любой другой тип датчика не будет работать.
Радиочастотная (РЧ) емкость
Радиочастотная технология использует электрические характеристики конденсаторов в сосуде для отображения контуров поверхности.
Да, контуры.
Таким образом, эту технологию можно использовать для определения уровней гранул, суспензий и даже жидкостей с различной плотностью.
Устройство аналогично поплавковому датчику уровня непрерывного действия. Вместо того, чтобы прикреплять магниты, стенка сосуда часто служит вторым проводником. Этот метод определяет область интереса, внутреннюю часть сосуда, общую для двух проводников. В конечном итоге объем будет определен как сумма этих площадей вдоль зонда.
Технология основана на электрической емкости, то есть способности проводника накапливать электрический заряд, существующей между двумя проводниками. На эту емкость также влияет измеряемая среда, непроводящая жидкость или материал.
Воздух оказывает минимальное влияние на емкость зонда и стенки сосуда. Различные жидкости и материалы обладают относительно высокими изоляционными характеристиками.
Поскольку зонд измеряет повышенные изоляционные свойства по сравнению с воздухом, он сигнализирует о наличии жидкости или материала на этом уровне.