Особенности указателей уровня жидкости

Задачи контроля за уровнем жидкостей

Не стоит забывать и о преимуществах использования современных методов измерения. Применение современных автоматических уровнемеров позволяют не только контролировать расход жидкий материалов и топлива, но и обеспечить автоматизацию процессов учета запасов и расхода, которые раньше выполнялись операторами.

Немаловажной задачей на современных предприятиях является оптимизация производства, сокращение расходов, что диктует всё возрастающая конкуренция. Автоматический контроль, применение современных приборов для измерения и контроля позволяют добиться выполнения работы меньшим числом рабочих и в более быстрые сроки. А повышение производительности труда ведет и к увеличению доходов.

Также своевременный контроль на предприятиях по выработке топлива, на химических заводах даст возможность вовремя обнаружить и устранить утечку опасного для окружающей среды вещества.

Для решения этих задач в настоящее время существует целый ряд средств, разработанных для конкретных производств и предприятий, в котором разнообразные указатели уровня жидкости занимают одно из первых мест. Современные экономические условия, увеличение удельной мощности агрегатов, снижение материалоемкости, повышение скоростей движения и нагрузок, ужесточение экологических норм предъявляют повышенные требования к точности и оперативности измерений, к качеству контроля и диагностики различных агрегатов на стадии их проектирования, изготовления, испытаний, эксплуатации и ремонта. Поэтому фирмы-производители измерительной техники постоянно находятся в поиске новых технологий, направленных на улучшение характеристик приборов, повышение показателей надежности и универсальности.

История создания уровнемеров

Если обратиться к истории создания уровнемеров, то мы можем видеть, что необходимость их применения появилась в далеком прошлом.

Первый простейший уровнемер был создан для определения уровня воды в озерах, реках и других водоемах и получил название футшток (от немецкого Fu?stock). Его создание было вызвано развитием флота и навигации и необходимостью изучения изменения уровня в конкретном месте водоема, определения среднего уровня моря и установления начального уровня для исчисления высот и глубин. Футшток — уровнемер в виде рейки (бруса) с делениями, установленный на водомерном посту для наблюдения и точного определения уровня воды в море, реке или озере. Первый футшток появился в Петербурге в 1703 году, а в 1707 году появилась футшточная служба на Котлине.

Фуштоки часто используют в качестве геодезичекого опорного пункта. В том числе Крондштатский футшток выбран глобальным геодизическим опорным пунктом и закрепляет 0 отметку высоты в Балтийской системе высот. Позднее появился метршток, представляющий из себя шест с отчетливо накрашенными делениями в метрах (футах), служит для измерения небольших глубин 3-3,5м. Метршток до сих пор применяется на предприятиях топливной промышленности для измерения уровня топлива в резервуарах.

Прогресс не стоял на месте, и с дальнейшим развитием промышленности появилась потребность в новых устройствах для изменения уровня жидкости. В 1712 году англичанином Ньюкманом был создана первая паровая машина. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Простейшие визуальные указатели уровня были изобретены с появлением паровых котлов. Уатт Джеймс (19.01.1736 — 19.08.1819) — шотландский изобретатель — в 1764 году запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива, а в 1784 г. создал универсальный паровой двигатель, имеющий черты современных паровых машин, с непрерывным вращением с высокой эффективностью, получивший широкое распространение именно в производственных целях и сыгравший большую роль в промышленной революции 19 века. Он и сконструировал первое водомерное стекло — визуальный указатель уровня жидкости.

В XX веке, с развитием науки, темпы роста промышленности быстро ускорялись, появлялись всё новые отрасли, производства и предприятия. Автоматизация производственных процессов требовала создания автоматических приборов для измерения уровня жидкости.

Технология автоматического замера уровня жидкого продукта при помощи системы слежения была разработана уже в середине 50-ых годов. Вскоре после этого был представлен первый автоматический уровнемер для резервуаров.

Далее различными фирмами производителями измерительной техники были разработаны поплавковые магнитные выключатели, телеметрические датчики уровня и байпасные указатели уровня для различных отраслей промышленности. В дальнейшем были созданы гидростатические, электрические, акустические, радарные, ультразвуковые и прочие уровнемеры, сконструированные с учетом требований конктерных производсв: химической, нефте- и газодобывающей промышленности, топливно-энергетического комплекса, фармацевтической и пищевой промышленности, кораблестроения, машиностроения в целом, строительной индустрии и коммунальной сферы.

Так что же представляет из себя уровнемер?

Уровнемер — прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых резервуарах, хранилищах и так далее. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Уровнемеры так же называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня — это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

Существует несколько методов измерения уровня жидкости, имеющих свои технологические возможности, основанных на различных физических принципах действия и обладающих как рядом преимуществ, так и недостатками. По принципу действия уровнемеры для жидкостей разделяются на механические, гидростатические, электрические, акустические, радиоактивные.

Устройства для измерения уровня жидкости

В настоящий момент существуют следующие устройства для измерения уровня жидкости:

• визуальные;
• поплавковые, в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости;
• буйковые, в которых для измерения уровня используется массивное тело (буёк), частично погружаемое в жидкость;
• гидростатические, основанные на измерении гидростатического давления столба жидкости;
• электрические, в которых величины электрических параметров зависят от уровня жидкости;
• ультразвуковые, основанные на принципе отражения от поверхности звуковых волн;
• радарные и волноводные, основанные на принципе отражения поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ);
• радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости.

Помимо классификации уровнемеров по принципу действия, эти приборы делятся на:

• приборы для непрерывного слежения за уровнем (непрерывное измерение);
• приборы для сигнализации о предельных значениях уровня (дискретный контроль).

К приборам непрерывного слежения относятся — уровнемеры-указатели, преобразователи уровня, указатели уровня жидкости, преобразователи уровня.

К приборам для сигнализации о предельных значениях уровня относятся — сигнализаторы уровня, реле уровня, переключатели уровня, датчики предельного уровня. Рассмотрим каждый вид уровнемеров на предмет их принципа действия, области применения и их достоинства и недостатки.

Визуальные уровнемеры

Простейший уровнемер (визуальный) — водомерное стекло, в котором использован принцип сообщающихся сосудов, служит для непосредственного наблюдения за уровнем жидкости в закрытом сосуде. Указательное стекло соединяют с сосудом 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 сосуде. Стёкла комплектуют вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы.

Не рекомендуется использовать указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол таким образом, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.

В настоящее время водомерные стекла используются на предприятиях, где применяются паровые агрегаты (например, котельные, компрессорные, теплостанции и другие).

Механические уровнемеры

Поплавковые и буйковые уровнемеры относятся к механическим.

Поплавковые — уровнемеры с чувствительным элементом (поплавком), тогда измерение происходит по оценке положения предмета на поверхности жидкости относительно двух точек измерений.

Буйковые уровнемеры, принцип действия которых основан на измерении выталкивающей силы, действующей на буёк (закон Архимеда). Перемещение поплавка или буйка через механические связи или систему дистанционной (электрической или пневматической) передачи сообщается измерительной системе прибора.

Поплавковые уровнемеры

Поплавковые измерительные приборы делятся на уравнемеры узкого и широкого диапазонов.

Поплавковые уровнемеры узкого диапазона представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок, выполненный из нержавеющей стали, который плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное уплотнение соединяется или со стрелкой измерительного прибора, или с преобразователем угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы.

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона представляют из себя поплавок, связанный с противовесом гибким тросом, в нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая значения уровня жидкости в резервуаре.

Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокое разрешение прибора 0,1 мм и точность измерений — 1 мм.

Область применения поплавкового метода измерения уровня очень широка. Его нельзя применять только в средах, образующих налипание и отложение осадка на поплавок.

Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах. Поплавковый метод может с успехом применяться в пенящихся жидкостях, а для липких сред существуют вибрационные поплавковые указатели уровня жидкости.

Гидростатические уровнемеры

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами основано на уравновешивании давления столба жидкости в резервуаре давлением столба жидкости, которая заполняет измерительный прибор, или реакцией пружинного механизма прибора.

Измерение гидростатического давления осуществляется:

• датчиком избыточного давления (манометром), подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;
• дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;
• измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние (пьезометрический метод).

Наиболее широкое распространение получили приборы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). Эти схемы с успехом применяются для измерения уровня жидкости в технологических агрегатах, находящихся под избыточным давлением.

По конструкции гидростатические датчики делятся на два типа: стационарные (мембранные) или погружные (колокольные). В первом случае датчик соединен с мембраной, и прибор устанавливается внизу емкости. В случае погружного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на сенсор через столб воздуха, запаянный в подводящей трубке.

Типичное применение гидростатических уровнеметров — для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды, а также ждя паст и вязких жидкостей. С помощью дифференциальных датчиков давления возможно также измерение уровня жидкости в открытых резервуарах, уровня раздела жидкостей.

К достоинствам данных уровнемеров можно отнести простоту конструкции и дешевизну. Однако у гидрастатических указателей уровня жидкости есть существенные недостатки — относительно низкая (по сравнению с другими методами) точность измерения и ограниченность применения из-за того, что монтаж устройства на дне резервуара требует постоянной плотности среды.

Электрические уровнемеры

В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Электрические уравнемеры бывают ёмкостные и кондуктометрические.

В ёмкостных уровнемерах чувствительным элементом служит преобразователь — конденсатор, ёмкость которого меняется пропорционально изменению уровня жидкости. Преобразователи выполняют цилиндрического и пластинчатого типов, а также в виде жесткого стержня. При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.

Действие кондуктометрического (омического) указателя уровня жидкости основано на измерении сопротивления между электродами, помещенными в измеряемую среду (одним из электродов может быть стенка резервуара или аппарата). Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом.

Омические уровнемеры используют для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня исключительно электропроводных жидкостей в емкостях, бойлерах, контейнерах или открытых каналах, а также для управления насосами в дренажах, водных установках и емкостях.

В акустических, или ультразвуковых, уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела контролируемая среда (жидкость) — газ. Эти приборы отличаются по диапазонам измерения, версиями датчика и имеют разные технологические присоединения.

Прибор состоит из электронного блока (ЭБ), пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора.

Электронный блок состоит из генератора, задающего частоту повторения импульсов, генератора импульсов, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя и измерителя времени. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой в излучателе, распространяется в газовой среде, отражается от границы раздела «жидкость — воздух» и возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель. Далее преобразуется в электрический сигнал. Оба импульса: и посланный и отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель.

Свойства среды не влияют на точность измерения, полученного ультразвуковым методом, поэтому ультразвуковым уровнемером может измеряться уровень агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ. Однако необходимо помнить, что на скорость распространения ультразвука оказывает влияние температура воздуха в среде его работы. Скорость ультразвука зависит и от состава воздуха и его влажности.

К несомненным преимуществам использования акустических указателей уровня жидкости относятся: безконтактность, возможность использования в загрязненной среде, а также в различного вида жидкостях, отсутствие высоких требований к износостойкости и прочности оборудования, независимость от плотности жидкости.

Но есть и недостатки, на которые стоит обратить внимание: большое расхождение конуса излучения, возможность возникновения ошибок измерения при отражении от нестационарных препятствий (например, мешалок), может использоваться только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением (что ограничивает область применения), на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена, образующаяся на поверхности.

Радарные уровнемеры

На данный момент есть множество самых различных методов измерения уровня, дающих возможность получать информацию как о предельных, так и о текущих его значениях. Однако не многие могут быть реализованы в промышленных системах. Некоторые из реализованных методов являются уникальными, и случаи их применения можно пересчитать по пальцам, другие гораздо более универсальны и потому широко используются. Но есть и методы, удачно сочетающие в себе и уникальность, и универсальность. Именно к ним относится микроволновый бесконтактный метод, в просторечии именуемый радарным.

Радарный уровнемер — наиболее используемый в современном производстве. Принцип действия его основан на измерении времени переотражения от поверхности раздела газ — контролируемая среда высокочастотных радиоволн.

Результатом обработки является значение того или иного параметра объекта: дальность, скорость, направление движения или других. В радарных уровнемерах применяются СВЧ-сигналы с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц.

В настоящее время в радарных системах контроля уровня применяются в основном две технологии: с непрерывным частотно-модулированным излучением (FMCW — frequency modulated continuous wave) и импульсным излучением сигнала.

Технология FMCW основана на реализации косвенного метода измерения расстояния. Уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изменяется непрерывно по линейному закону между двумя значениями. Отраженный от поверхности жидкости, сигнал принимается той же антенной и анализируется с помощью программного обеспечения. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени. Значение разности частот прямо пропорционально расстоянию до контролируемого объекта.

В радарах же импульсного типа применяется метод определения расстояния, основанный на непосредственном измерении времени прохождения СВЧ-импульса от излучателя до поверхности жидкости и обратно. Время прохождения сигналом расстояния в несколько метров составляет единицы наносекунд, поэтому получение точного измерения настолько малых значений требуют специальных методов обработки сигнала. Для решения этой задачи используется преобразование микроволнового импульса в ультразвуковой сигнал. В результате преобразования к обработке сигналов радарного уровнемера легко применяются схемы, которые используются в акустических указателях уровня жидкости.

При сравнении характеристик двух типов микроволновых указателей уровня, можно увидеть, что радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, использующими технологию FMCW: экономичность энергопотребления, меньшая стоимость, более высокая надежность (за счет меньшего количества комплектующих).

Важнейшим элементов радарного уровнемера, влияющим на формирование сигнала, является размер и тип антенны. От антенны зависит, какая часть излучённого сигнала достигнет поверхности контролируемой среды и какая часть отражённого сигнала будет принята и передана на электронный блок для обработки. В микроволновых системах контроля уровня используются антенны пяти типов: рупорная (или коническая); стержневая; трубчатая; параболическая; планарная.

Самой универсальной является рупорная. Этот тип антенны может использоваться в больших емкостях, применяется в различных (в том числе сложных) условиях , обеспечивает измерения до 35...40 м (в условиях спокойной поверхности), позволяет работать с большим диапазоном сред по диэлектрической проницаемости.

Стержневая антенна также широко применима. Радарные уровнемеры с этим видом антенны используются в небольших емкостях: агрессивными средами, химическими веществами, гигиеническими продуктами. Стержневая антенна применима и в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Антенны покрыта слоем защитной изоляции, производит измерения на расстояниях до 20 м.

Трубчатая антенна — это надстроенный удлиненный волновод, из-за этого она позволяет выпускать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания. Такие антенны применяют в тех случаях, когда проведение измерения посредством рупорной или стержневой антенны связано с большими трудностями или попросту невозможно (наличин пены, сильного испарения или высокой турбулентности жидкости).

В системах коммерческого учета применяются антенны параболического и планарного типов, так как они обеспечивают особо высокую точность измерений.

На сегодняшний день радарные уровнемеры являются самыми универсальными, так как их эксплуатация обеспечивает минимальный контакт измерительного устройства с контролируемой средой. Они могут работать вне зависимости от изменений температуры и давления (причем радарные указатели уровня жидкости применимы в таких условиях, в каких невозможно использование других методов).

Радарные уровнемеры имеют большую устойчивость к таким факторам как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование, обладают высочайшей точностью. Однако недостатком радарного метода является дороговизна таких приборов.

Волноводные уровнемеры

Волноводные уровнемеры применяются в малых и узких резервуарах, поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара. В случае необходимости съемная голова датчика позволяет заменять модуль электроники, не нарушая герметичности резервуара, что может быть важно при измерении уровня сжиженных газов и аммиака.

Волноводный уровнемер состоит из следующих основных элементов: корпус, электронный модуль, фланцевое или резьбовое соединение с резервуаром и зонд. Корпус уровнемера, состоящий из двух независимых отсеков (отсек электроники и клеммный отсек для подключения кабелей), может быть снят с зонда, при этом, что немаловажно, открывать резервуар не нужно. Кроме того, корпус такой конструкции повышает надежность и безопасность уровнемера при эксплуатации в опасных производствах. Электронный модуль излучает электромагнитные импульсы, которые распространяются по зонду, выполняет обработку отраженного (принятого) сигнала и выдает информацию в виде аналогового или цифрового сигнала на встроенный жидкокристаллический индикатор или в систему измерения.

В зависимости от условий процесса производства и свойств среды, подлежащей измерению, используется один из пяти типов зондов: коаксиальный, жесткий двухстержневой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводной и гибкий однопроводной.

Коаксиальный зонд применяется, когда необходимо измерение уровня внешней поверхности и уровня раздела двух жидкостей, например, растворителей, спиртов, водных растворов, сжиженных газов и жидкого аммиака. Этот зонд обеспечивает самое высокое отношение сигнал/шум. Рекомендуется для измерения уровня жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью, в условиях турбулентности, в условиях возникновения пены или потоков жидкости или пара вблизи зонда, так как оболочка коаксиального зонда работает как успокоительный колодец.

Двухстержневой жесткий или двухпроводной гибкий зонды рекомендуются для измерении уровня жидкостей (нефтепродукты, растворители, водные растворы и т.п.). Возможно применение для измерения уровня и раздела жидких сред. Могут применяться с более вязкими жидкостями, чем рекомендовано для коаксиального зонда. Однако не стоит применять его при наличии липких сред.

Одностержневой жесткий или однопроводной гибкий зонды менее восприимчивы к налипанию среды и образованию наростов. Они могут применяться для вязких жидкостей, взвесей, водных растворов и алкогольных напитков, а также использоваться в фармацевтической промышленности. Применяются для измерения уровня вязких жидкостей, например, сиропа, меда и т.п., а также водных растворов.

Радиоизотопные уровнемеры

Уровнемеры с радиоизотопными излучателями делятся на две группы:

• со следящей системой, для непрерывного измерения уровня;
• сигнализаторы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения.

Принцип действия таких устройств основан на степени поглощения проходящего через вещество в резервуаре гамма-лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Приемник и излучатель радиационного излучения перемещаются по всей высоте емкости на специальных лентах с помощью реверсивного электромотора. Комплект прибора состоит из трех блоков: преобразователя, содержащего источник и приемник излучения; электронного блока; показывающего прибора.

Использование приборов с радиоизотопными излучателями целесообразно там, где другие методы измерения непригодны, так как этот метод радиационно опасен и требует дополнительных средств безопасности для персонала.

Как мы видим, при выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический), наличие мешалки, огнеопасность, взрывоопасность, пенообразование и прочие другие.

Для каждой промышленной отрасли существуют свои методы и приборы. Ознакомившись с устройством и условиями эксплуатации различных уровнемеров, можно делать выбор в пользу того или иного метода измерения уровня жидкости. Также стоит учитывать надежность, качество и стоимость приборов.