Визуальное измерение уровня жидкости

Визуальные уровнемеры

Изучение устройства и принципа действия датчиков уровня веществ

Изложены основные принципы контроля и автоматического управления уровнем жидких и сыпучих веществ, описаны основные классы приборов, применяемых в промышленности в цепях автоматического и полуавтоматического управления уровнем жидких и сыпучих веществ, типовые конструкции датчиков и приборов контроля уровня, приведены примеры промышленных приборов контроля уровня с техническими характеристиками. Указаны достоинства и недостатки различных типовых схем контроля и автоматического управления уровнем жидких и сыпучих веществ.

Методические указания

Измерение уровня жидкости и сыпучих тел относится к числу вспомогательных контрольных операций, позволяющих определять количество жидкости или сыпучего материала в хранилище для учета продуктов и сигнализации о переполнении расходных баков и бункеров. Приборы, предназначенные для этой цели, называются уровнемерами широкого диапазона. Эти приборы имеют шкалу с нулем в начале и делениями, идущими от нуля в одну сторону. Единицы измерения – сантиметры, дециметры и метры.

Кроме того, измерение уровня необходимо для поддержания его на заданной высоте. В этом случае приборы показывают величину отклонения уровня от нормального положения и называются уровнемерами узкого диапазона. Шкала прибора имеет нуль посередине и деление, идущее в обе стороны от нуля. Пределы измерений обычно составляют от ±100 до ± 150 мм. Единицы измерения в узком диапазоне – сантиметры и миллиметры.

Приборы и устройства для измерения уровня вещества можно разделить на 2 категории: для измерения уровня жидких и сыпучих тел. Кроме того, устройства для измерения уровня жидкости, сыпучих материалов и положения раздела фаз можно подразделить на следующие группы: а) визуальные, б) датчики с дистанционной передачей данных, в) датчики-реле уровня.

1. Приборы и устройства для измерения уровня жидкостей и положения раздела фаз

Визуальные уровнемеры

Простейшим измерителем уровня жидкости служат указательные стекла (рис. 1). Работа указательных стекол основана на принципе сообщающихся сосудов и прямого визуального наблюдения. Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разряжением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде. Указательные стекла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. В арматуру указательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закрывающие каналы в головках при случайной поломке стекла. Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2.94 МПа и температуру до 300 0 С. Указательные стекла не рекомендуются употреблять длиной более 0.5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0.5 м, устанавливают несколько стекол (рис. 1в) таким образом, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.

Рис. 1. Указательные стекла: а — проходящего света, б — отраженного света, в — несколько указательных стекол на высоких резервуарах.

Часто используются конструкции, в которых информация об уровне жидкости или сыпучего материала получается косвенным путем, т.е. от чувствительного элемента информация через передаточный механизм поступает на измерительный прибор.

Гидростатические уровнемеры. К простейшим гидростатическим измерителям уровня жидкости относятся дифференциальные манометры. Дифманометром можно измерять уровень в открытых и закрытых сосудах, т. е. в сосудах, находящихся под давлением и разрежением. На рис. 2 показана схема трубных соединений при измерении уровня в открытом резервуаре и установка дифманометра ниже его дна.

Рис. 2. Схема трубных соединений с размещением дифманометра ниже дна резервуара: а — при измерении уровня жидкости в открытом резервуаре; б — в резервуаре, находящемся под давлением.

При применении дифманометра для измерения уровня обязательно устанавливают уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня той же жидкостью, что находится в резервуаре. Назначение уравнительного сосуда – обеспечение постоянного столба жидкости в одном из колен дифманометр. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра изменяется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значению уровня в резервуаре соответствует определенный перепад давления, показываемый дифманометром, что позволяет судить о положении уровня.

При использовании дифманометра с пневматическим, токовым или индуктивным выходным сигналом можем получить уровнемер с дистанционной передачей данных и возможностью автоматического управления.

Пьезометрические уровнемеры.Они основаны на принципе гидравлического затвора. Для измерения уровня (рис.3) используется воздух или инертный газ под давлением, который продувают через слой жидкости. Количество продуваемого воздуха ограничивают диафрагмой или иным способом так, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Это приближает к нулю потери на трение в трубопроводе после диафрагмы D. Уровень жидкости определяется по установившемуся давлению (p – px) в системе:

P-Px=H·pж·g, откуда H=(P-Px)/pж·g

Давление определяется по высоте столба жидкости манометра с замыкающейся жидкостью плотностью или иным любым способом. Как и в гидростатических уровнемерах, возможно применение дифманометров с пневматическим, токовым или индуктивным сигналом.

Рис. 3. Схема пьезометрического измерителя уровня

Поплавковые и буйковые уровнемеры. Чувствительным элементом уровнемера, изображённого на рис. 4, является поплавок 1, плавающий на поверхности жидкости. Поплавок уравновешивается грузом 2, который связан с поплавком гибким тросом 3. Положение груза относительно шкалы определяет уровень жидкости. Пределы измерения устанавливают в соответствии с принятыми значениями верхнего 4 и нижнего 5 уровней. Недостаток поплавков — возможность коррозии и протравления тонких стенок поплавка, приводящих к его потоплению. Это ограничивает область применения поплавковых измерителей уровня (если поплавок сделан не из коррозионно-стойкого материала). Значительно более надежны тонущие поплавки — массивные буйки 1 (рис. 5). При изменении уровня жидкости изменяется по закону Архимеда действующая на конец рычага 2 сила (вес буйка) и соответственно изменяется момент сил, действующих на рычаг. Изменяющийся при колебаниях уровня момент сил от буйка 1 передается через вал 3 на весоизмерительное устройство 4, а далее на вторичный прибор 5, отградуированный в единицах уровня жидкости. Буйковые измерители уровня чаще всего используются как устройства информации. Интервал измерения уровня поплавковых и буйковых уровнемеров выбирают из ряда: от 0 до 0.25, 0.4, 0.6, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0, 10.0, 16.0, и 20 м. Уровнемеры изготавливаются по ГОСТ 13702-78.

Источник

Как работают визуальные указатели уровня?

Указатели уровня (визуальные уровнемеры), используются для простого и быстрого измерения верхнего уровня и/или границы раздела жидких сред. Осуществляют работу в непрерывном режиме.

Визуальные уровнемеры зарекомендовали себя как самый простой, удобный и дешевый способ организации контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Имеют надежную конструкцию, подлежат самостоятельному монтажу и обладают ремонтопригодной конструкцией.

Область применения визуальных уровнемеров

Указатели уровня применяются в нефтеперерабатывающей, пищевой, химической и других отраслей промышленности. Подходят для работы с водой и водными растворами, растительным и машинным маслом, пищевыми жидкостями, керосином и этиленовым спиртом. Некоторые модели могут использоваться для измерения уровня сверх агрессивных сред: серная, соляная, плавиковая, азотная кислоты, щелочи и т.д.

Визуальные уровнемеры позволяют измерять уровень жидкостей в баках, котлах, еврокубах, системах водоподготовки и т.д. Температура контролируемой среды варьируется в зависимости от модификации, в среднем, указатели уровня сохраняют свои технические свойства при -100. +250°C.

Рис.1 Указательные стёкла:

а – проходящего света; б – отраженного света; в – составного типа

Данный тип приборов является простейшим. К нему относятся так называемые указательные стекла. В основе работы указательных стекол лежит принцип сообщающихся сосудов:

  • Трубка указательного стекла соединяется с контролируемой емкостью либо одним нижним концом (с открытыми сосудами), либо обоими концами (с сосудами под разрежением или давлением).
  • Об изменении уровня в сосуде можно судить по положению уровня жидкости в стеклянной трубке.
  • Указательные стёкла могут быть оснащены кранами или вентилями для их отключения от сосуда и для продувки системы.
  • В арматуре указательных стекол, работающих под давлением, как правило, имеются предохранительные устройства, автоматически перекрывающие каналы при аварийном разрушении стекла.
  • Указательные стекла бывают проходящего света (рис.1, а) и отраженного света (рис.1, б).

Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300°С.

Не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 500 мм, поэтому для контроля таких перепадов уровня следует устанавливать несколько стекол последовательно (рис. 1, в).

Популярные модели указателей уровня

LGB указатели уровня. Осуществляют контроль уровня жидкости в непрерывном режиме, устанавливаются в закрытых/открытых и подвижных/стационарных сосудах, работающих под атмосферным или избыточным давлением, а также при наличии вибрации и прочих негативных факторов. Подходят для контроля пищевых и взрывоопасных сред.

LGB указатели уровня футерованные. Обладают высокой химической стойкостью и предназначены для измерения уровня сверх агрессивных сред, таких как высококонцентрированные кислоты (серная, соляная, плавиковая, азотная), или щелочи (едкий натр, едкий калий, различные гидрооксиды металлов).

LGB-OT указатели уровня верхнего монтажа. Имеют необычный вариант монтажного присоединения: OT — монтаж сверху ёмкости (овертанк).

Меры предосторожности

К основным недостаткам указателей уровня относятся высокая вероятность механического повреждения трубки и невозможность работы при давлении в емкости, превышающем показатель в 25 бар. Также не рекомендуется использовать визуальные уровнемеры при необходимости SIP или CIP мойки резервуаров. Помимо этого, работу устройств может осложнять:

  • Повышенная вязкость или клейкость жидкости – в этом случае она может налипать на прибор.
  • Большое количество твердых частиц в растворах.
  • Превышение максимальных значений указанных технологических параметров.

Источник

Приборы для измерения уровня

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 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).

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector