Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня.
Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.
Поплавковые уровнемеры. В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.
Буйковые уровнемеры. В буйковых уровнемерах (рис. 1) применяется неподвижный погруженный в жидкость буек 3. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила F. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Но, как видно из рис. 1, количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости Н. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень Н преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная.
В буйковых уровнемерах УБ и УБ-Э буек передает усилие на рычаг 1 промежуточного преобразователя 2. Выходной сигнал первого уровнемера —унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).
Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя. Уровнемеры УБ могут измерять уровень в пределах от 0-40 мм до 0-16 м.
Гидростатические уровнемеры. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.
При включении дифманометра 1 по схеме, показанной на рис. 2, а, перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню Н.
Если жидкость в емкости находится под избыточным давлением, то дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2, б, причем его плюсовую камеру соединяют с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд 2. Этот сосуд заполняют жидкостью, столб которой создает постоянное гидростатическое давление в плюсовой камере дифманометра. Поэтому измеряемый перепад давлений, равный разности гидростатических давлений жидкости в камерах дифманометра, будет пропорционален разности между уровнем в разделительном сосуде Нмах и измеряемым уровнем Н. Так как уровень в разделительном сосуде постоянен и известен, то его всегда можно учесть в показаниях прибора.
При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки не агрессивной жидкостью.
При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. В этом случае дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2,в. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом.
При небольшом расходе воздуха его давление и минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой—давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.
Рис.1 Буйковый уровнемер: 1 — рычаг; 2 — промежуточный преобразователь силы в унифицированный сигнал; 3 — буек.
Рис.2 Измерения уровня дифманометрами: а — в открытой емкости; б—в емкости под давлением; в — для суспензий и шламов; 1— дифманометр; 2— уравнительный сосуд.
Емкостные уровнемеры. Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод 1 (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке 2 (рис. 3, а). Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.
Электрическая схема емкостного уровнемера приведена на рис. 3, б. Измерение электрической емкости первичного преобразователя Сх производится неуравновешенным мостом переменного тока, плечами которого являются индуктивности L1 и L2 емкость С1 и емкость первичного преобразователя Сх. При изменении уровня измеряется емкость Сх, что приводит к изменению выходного напряжения моста U.
Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов; извести и т. п.
Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении. В этом случае погрешность измерения не превышает 3 мм.
Радиоизотопные уровнемеры. Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества.
В радиоизотопном уровнемере (рис. 4) источник 2 и приемник 10 излучения подвешены на стальных лентах 3, на которых они могут перемещаться в трубах 11 по всей высоте бака 1. Ленты намотаны на барабан 5, приводимый в движение реверсивным электродвигателем 7.
Если измерительная система (источник и приемник γ-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника 10 по кабелю 9 на блок управления 8 будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель 7 получит команду па спуск измерительной системы.
При снижении ее ниже уровня среды поглощение γ-лучей резко увеличится, сигнал на выходе приемника уменьшится и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.
Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика 4 преобразуется измерительным устройством 6 в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U.
Радиоизотопные уровнемеры типа УР-8 могут измерять уровень в емкостях высотой до 10 м. Аналогичный принцип использован в радиоизотопном сигнализаторе уровня ГР-8, источник и приемник излучения которого укрепляют снаружи емкости на необходимой высоте. При достижении измеряемой средой этого уровня включается сигнальное устройство.
Ультразвуковые и акустические уровнемеры. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель 1 (рис. 5) расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости Н, во втором — наоборот.
Электронный блок 2 служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. Например, акустический уровнемер ЭХО-1 используется для измерения уровня неоднородных (с переменной по высоте плотностью), кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей в банках высотой до 3 м и имеет выходной сигнал в виде постоянного тока.
Емкостный уровнемер: а — устройство датчика; б — электрическая схема уровнемера; 1— электрод; 2 – труба.
Радиоизотопный уровнемер: 1— бак; 2—источник излучения; 3—стальные ленты; 4— ролик; 5—барабан; 6— измерительное устройство; 7— реверсивный электродвигатель; 8 — блок управления; 9 – кабель; 10 — приемник излучения; 11 — трубы.
Ультразвуковой и акустический уровнемеры: 1 — излучатель; 2 — электронный блок.
Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня.
Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.
Поплавковые уровнемеры. В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.
Буйковые уровнемеры. В буйковых уровнемерах (рис. 1) применяется неподвижный погруженный в жидкость буек 3. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила F. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Но, как видно из рис. 1, количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости Н. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень Н преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная.
В буйковых уровнемерах УБ и УБ-Э буек передает усилие на рычаг 1 промежуточного преобразователя 2. Выходной сигнал первого уровнемера —унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).
Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя. Уровнемеры УБ могут измерять уровень в пределах от 0-40 мм до 0-16 м.
Гидростатические уровнемеры. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.
При включении дифманометра 1 по схеме, показанной на рис. 2, а, перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню Н.
Если жидкость в емкости находится под избыточным давлением, то дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2, б, причем его плюсовую камеру соединяют с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд 2. Этот сосуд заполняют жидкостью, столб которой создает постоянное гидростатическое давление в плюсовой камере дифманометра. Поэтому измеряемый перепад давлений, равный разности гидростатических давлений жидкости в камерах дифманометра, будет пропорционален разности между уровнем в разделительном сосуде Нмах и измеряемым уровнем Н. Так как уровень в разделительном сосуде постоянен и известен, то его всегда можно учесть в показаниях прибора.
При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки не агрессивной жидкостью.
При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. В этом случае дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2,в. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом.
При небольшом расходе воздуха его давление и минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой—давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.
Рис.1 Буйковый уровнемер: 1 — рычаг; 2 — промежуточный преобразователь силы в унифицированный сигнал; 3 — буек.
Рис.2 Измерения уровня дифманометрами: а — в открытой емкости; б—в емкости под давлением; в — для суспензий и шламов; 1— дифманометр; 2— уравнительный сосуд.
Емкостные уровнемеры. Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод 1 (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке 2 (рис. 3, а). Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.
Электрическая схема емкостного уровнемера приведена на рис. 3, б. Измерение электрической емкости первичного преобразователя Сх производится неуравновешенным мостом переменного тока, плечами которого являются индуктивности L1 и L2 емкость С1 и емкость первичного преобразователя Сх. При изменении уровня измеряется емкость Сх, что приводит к изменению выходного напряжения моста U.
Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов; извести и т. п.
Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении. В этом случае погрешность измерения не превышает 3 мм.
Радиоизотопные уровнемеры. Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества.
В радиоизотопном уровнемере (рис. 4) источник 2 и приемник 10 излучения подвешены на стальных лентах 3, на которых они могут перемещаться в трубах 11 по всей высоте бака 1. Ленты намотаны на барабан 5, приводимый в движение реверсивным электродвигателем 7.
Если измерительная система (источник и приемник γ-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника 10 по кабелю 9 на блок управления 8 будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель 7 получит команду па спуск измерительной системы.
При снижении ее ниже уровня среды поглощение γ-лучей резко увеличится, сигнал на выходе приемника уменьшится и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.
Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика 4 преобразуется измерительным устройством 6 в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U.
Радиоизотопные уровнемеры типа УР-8 могут измерять уровень в емкостях высотой до 10 м. Аналогичный принцип использован в радиоизотопном сигнализаторе уровня ГР-8, источник и приемник излучения которого укрепляют снаружи емкости на необходимой высоте. При достижении измеряемой средой этого уровня включается сигнальное устройство.
Ультразвуковые и акустические уровнемеры. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель 1 (рис. 5) расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости Н, во втором — наоборот.
Электронный блок 2 служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. Например, акустический уровнемер ЭХО-1 используется для измерения уровня неоднородных (с переменной по высоте плотностью), кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей в банках высотой до 3 м и имеет выходной сигнал в виде постоянного тока.
Емкостный уровнемер: а — устройство датчика; б — электрическая схема уровнемера; 1— электрод; 2 – труба.
Радиоизотопный уровнемер: 1— бак; 2—источник излучения; 3—стальные ленты; 4— ролик; 5—барабан; 6— измерительное устройство; 7— реверсивный электродвигатель; 8 — блок управления; 9 – кабель; 10 — приемник излучения; 11 — трубы.
Ультразвуковой и акустический уровнемеры: 1 — излучатель; 2 — электронный блок.
