В производственных процессах химической промышленности большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в технологических аппаратах, различных емкостях и в резервуарах.
Измерение уровня в технологических аппаратах.
Измерение уровня в технологических аппаратах позволяет контролировать в них вещества, необходимого для протекания технологических процессов в требуемом направлении. Запас вещества в аппаратах должен быть вполне определенным и значительное уменьшение или увеличение его по сравнению с номинальным значением может привести к нарушению производственного процесса. Измерение уровня в аппаратах производится обычно в относительно небольшом диапазоне его измерения, причем высокая точность при измерении не требуется. Необходимо следить лишь за тем, чтобы уровень вещества не был больше или меньше допустимых значений.
Перфорация ремня действует как механический счетчик, действуя как локальный индикатор. Типичная погрешность этого типа преобразователя составляет ок. 10 мм. Из-за механического трения в шкивах надежность пружины и индикатора низкая. Передача дистанционной индикации возможна через электронный адаптер, установленный на счетчике. Однако это не повышает эксплуатационную надежность или точность механических преобразователей.
Эти компоненты не могут отслеживать внезапные движения и ускорения. Часто механизм передачи, действующий на локальный указатель, дает, что приводит к ошибочным и несинхронным показаниям. Это подразумевало низкую надежность измерений и очень техническое обслуживание. Из-за глобальной заинтересованности в предотвращении утечки продукта механические преобразователи больше не должны использоваться. Однако большая часть резервуаров по-прежнему оснащена этими преобразователями из-за низкой цены.
Измерение уровня в емкостях и резервуарах.
Измерение уровня в емкостях и резервуарах производится с целью учета количества находящегося в них вещества. В резервуарах больших размеров приходится измерять уровень, изменяющийся в большом диапазоне. Кроме того, точность измерения уровня должна быть достаточно высокой.
Преобразователи сервомеханизма представляют собой эволюцию над плавающими преобразователями. Они разрабатываются с годами. В этом случае используется небольшое погружное устройство, навешенное прочной и гибкой проволокой, которая выполняется на барабане. В этом случае пружина заменяется электрическим сервомотором, который позиционирует поплавок, точно контактирующий с жидкостью. Принцип работы основан на использовании гениальной системы взвешивания, которая непрерывно измеряет вес поплавка и архимедическую силу.
Механическое трение сервомеханизма и локального индикатора не влияет на погрешность и чувствительность этого типа преобразователя. Ни турбулентность в баке не влияет непосредственно на производительность, потому что есть схема интегратора сервомеханизма, которая устраняет эффект внезапного изменения уровня. Этот преобразователь измеряет средний уровень, даже если в баке возникают внезапные изменения продукта, устраняются ненужные движения и износ компонентов.
— Уровень измеряется в единицах длины — метрах. На заводе его часто измеряют в %.
— Измерение уровня вещества дает возможность, как уже говорилось выше, производить расчет количества и массы вещества для его учета.
Определение количества жидкости или сыпучих материалов.
При постоянном по высоте сечении емкости (резервуара) объем продукта может быть получен умножением площади поперечного сечения на значение уровня вещества, поэтому измерение объема здесь сводится к измерению уровня.
Оригинальный преобразователь с сервомеханизмом сегодня не похож на современные версии. Они усовершенствованы, становятся зрелыми и надежными продуктами, которые постепенно заменяют механические преобразователи, сокращают обслуживание и улучшают производительность управления. Современные сервомоторные преобразователи являются интеллектуальными, имеют минимальное количество движущихся частей и, следовательно, обеспечивают хорошую точность и надежность с течением времени. Они пользуются большой мощностью обработки данных.
Эти датчики, помимо измерения уровня жидкости, способны измерять уровень воды и плотность продукта в резервуарах. Существуют пороговые значения для точной сигнализации уровня как стандарт. Исключительная точность и надежность для измерения уровня принятия этих преобразователей таможенными органами, акцизной и законодательной метрологией во многих странах. Использование радиолокационного метода для измерения уровня продукта в резервуарах очень недавно. Уровневые радиолокационные преобразователи были разработаны в середине 1960-х годов для нефтяных кораблей.
При переменной площади поперечного сечения резервуара по высоте надо знать зависимость этой площади от высоты.
Определение массы вещества.
Измерение массы вещества производится путем определения его объема и измерения плотности вещества. Умножая объем на плотность, получают массу вещества. Это умножение производят или вручную или автоматически при помощи приборов.
Большинство из этих судов были оснащены плавающими механическими преобразователями. Преобразователи использовались только тогда, когда судно было привязано к берегу для погрузки или разгрузки. Новые меры безопасности для очистки закрытых резервуаров во время обратного пути и необходимость заполнения свободного пространства в резервуаре с инертным газом сделали этот метод измерения превалирующим. Их точность была менее важной для измерения уровня судна, поскольку передача объекта хранения основывалась на использовании сертифицированных преобразователей и сертифицированных расходомеров, установленных на суше.
Методы измерения уровня, приборы для его измерения.
В производстве для контроля уровня веществ применяют различные уровнемеры, работающие на различных методах измерения уровня.
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3. Гидростанические уровнемеры;
4. Дифманометрические уровнемеры;
Уровневые радарные преобразователи не имеют движущихся частей. Они используют только одну антенну внутри бака. Это приводит к очень низкой стоимости обслуживания. Промежуточное расстояние рассчитывается по сравнению с испускаемым сигналом с отраженным. Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Из-за низкого уровня измерения и наложенного разрешения метод, основанный на измерении времени, практически невозможен. Решение состоит в измерении фазового сдвига между сигналом, излучаемым антенной, и отраженным поверхностью жидкости.
5. Радиоактивные уровнемеры;
6. Уровнемеры раздела фаз;
7. Акустические уровнемеры;
8. Емкостные;
9. Уровнемеры сыпучих веществ.
Уровнемеры с визуальным отсчетом.
Самый простой способ измерения уровня, основанный на методе сообщающихся сосудов. То есть к технологическому аппарату через запорные вентили подключается стеклянная трубка, по которой и наблюдается столб жидкости.
В зависимости от этой фазы можно измерять уровень продукта. Сегодня радиолокационные переводчики используются для измерения уровня продуктов химической промышленности, нефтеперерабатывающих заводов, терминалов и частных компаний, которые хранят нефтепродукты. Поскольку они небольшие по размеру и не имеют движущихся частей, эти преобразователи требуют небольшого обслуживания и очень привлекательны. В отличие от старых преобразователей с большими параболическими антеннами или длинными коническими антеннами современные радиолокационные преобразователи обеспечивают отличную точность.
Недостатки: имеется возможность загрязнения трубки, вплоть до полного исчезновения видимости уровня, а также возможность образования воздушных пузырьков внутри стеклянной трубки, что устраняется с помощью дренажного вентиля.
Применяется для контроля уровня жидких и прозрачных веществ по месту.
Буйковые и поплавковые уровнемеры.
Нашли широкое применение для измерения уровня жидкости, как в технологических аппаратах, так и в резервуарах у нас на предприятии.
Принцип действия основан на возникновении выталкивающей силы при погружении поплавка или буйка в жидкость (закон Архимеда), которая либо преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, либо пневматический 0.2-1.0 кгс/см2 для последующей передачи информации на вторичные приборы, по которым оператор наблюдает показания уровня. Гораздо реже можно встретить поплавковые уровнемеры типа УДУ с контролем показаний по месту.
Среди буйковых уровнемеров широко используются такие как Сапфир ДУ, Fischer, имеющие стандартный токовый выходной сигнал 4-20 мА, работающие в комплекте с электронными вторичными приборами, как Ш-711, Ремиконт, МОД-30, дающими возможность не только наблюдать уровень, но и получить сигнализацию и блокировку по различным уставкам с помощью дополнительных устройств, таких как УАС, УЗС.
При работе в зимнее время эти уровнемеры нуждаются в обогреве по причине возможности образования наледи, как на внутренних элементах самого прибора, так и в направляющей трубе, в которой находится буек, возникающей при колебаниях температуры, как продукта, так и окружающей среды.
Среди поплавковых уровнемеров применение нашли УБП, УДУ, имеющие стандартный выходной сигнал 0.2-1.0 кгс/см2, работающие в комплекте с вторичными приборами типа ПВ10.1, ППВ1.1. Эти приборы не нуждаются в обогреве. В настоящее время на заводе ведется замена устаревших пневматических приборов КИП на более современные приборы, имеющие лучшие характеристики точности показаний и дающие больше возможностей по обработке информации от датчиков.
Одним из таких приборов является уровнемер ENRAF голландской фирмы. Точность измерения уровня составляет 0.1 мм. Это очень чувствительный прибор-преобразователь силы. Он постоянно взвешивает вес поплавка и сравнивает с уставкой, которая представляет собой вес поплавка минус выталкивающая сила. Если вес поплавка равен уставке, то прибор считает, что поплавок на уровне.
Прибор показал надежную работу на предприятии. Основные эксплуатационные требования: обогрев в зимнее время на резервуарах, где продукт – газ, а также отсутствие ударов вибраций и т. п. из-за которых выходит из строя чувствительный элемент или прибор сбивается. При остановке резервуара на ремонт необходимо перед демонтажем прибора: поднять поплавок, отключить питание 220в, заблокировать прибор механически.
Уровень раздела фаз.
Принцип действия основан на разных электропроводностях жидкостей. В емкость устанавливается электрод, который кабелем соединяется с вторичным прибором Ф-70. В качестве 2-го электрода используется сам корпус емкости. Применяется для разделения 2-х фаз электропроводной воды, от неэлектропроводной, с последующим отводом воды из емкости. Важным условием нормальной работы прибора является обеспечение герметичности конструкции электродов.
Гидростатические уровнемеры.
Гидростатический метод измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное уровню, которое преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Пример: Сапфир ДГ.
Дифманометрические уровнемеры.
Применяются для измерения уровня жидкости, как под атмосферным, так и под избыточным давлением. Каждому значению уровня жидкости в емкости соответствует определенный перепад давления, который измеряется прибором. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Давление в аппарате не влияет на результат измерения, т. к. оно одинаково воздействует на «+» и «-» камеры. При работе на агрессивных средах, трубки между аппаратом и разделительными сосудами продувают воздухом или инертным газом.
Акустические уровнемеры. (Ультразвуковые)
Принцип действия основан на локализации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, отходящую над контролируемой жидкостью и явлении отражения этих импульсов от границы раздела. Разновидностью ультразвукового уровнемера являются радарные уровнемеры типа APEX, обладающие высокой точностью, надежностью и возможностью эксплуатации в различных средах.
Радиоактивные уровнемеры.
Действие таких уровнемеров основано на поглощении γ — лучей при прохождении через слой вещества. Уровнемеры УР-8 используются для измерения уровня жидкостей и твердых сыпучих материалов
.
Емкостные уровнемеры.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости системы «электрод-измерительная среда» от изменения уровня.
Приборы типа ЭИУ предназначаются для измерения не только жидких, но и твердых сыпучих материалов. Для измерения уровня воды, аммиака, мазута, бензина, керосина и смазочных масел предназначены емкостные уровнемеры ЭИУ-1К, фирмы LABKO 2W
Измерение уровня сыпучих материалов.
Для измерения уровня сыпучих веществ могут применяться некоторые из рассмотренных выше уровнемеров. Кроме того, имеются специальные конструкции приборов.
Уровнемер – устройство предназначенное для контроля или измерения в промышленных условиях уровня сыпучих или жидких веществ в технологических апаратах, хранилищах, емкостях и т.п.
Перепад уровня – это разность измеряемых высот между верхней и нижней контрольными точками столба жидкости или сыпучего материала в резервуаре. Единицы измерения – мм, см, м.
Различают уровнемеры и сигнализаторы предельного уровня. Измерение уровня может производиться бесконтактным и контактным способом.
Механические уровнемеры
Механические уровнемеры существуют поплавковые (чувствительный элемент поплавок, плавающий на поверхности жидкости(см.рис 1)), и буйковые (см.рис 2), их действие основано на измерении выталкивающей силы, которая действует на буй. Перемещение поплавка или буя через механические связи или систему дистанционной (пневматической или электрической) передачи передается измерительному прибору.
Гидростатические уровнемеры
Измерение уровня этим методом определяется гидростатическим давлением, оказанным жидкостью на место установки датчика давления. Измерение уровня методом гидростатического давления может осуществляться:
- Дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высотах, соответствующих нижнему предельному значению уровня и газовому пространству над жидкостью;
- Датчиком избыточного давления, который подключается на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;
- Измерением давления газа (воздуха), подкачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние (пьезометрический метод).
На рис.3 приведена схема измерения уровня датчиком избыточного давления. Необходимый для этого датчик ДИ может быть любого типа с соответствующими пределами измерений. При измерении уровня датчиком избыточного давления присутствуют погрешности измерения, возникающие из за класса точности измерительного прибора, изменения плотности жидкости, а также колебаний атмосферного давления. В случае когда емкость находится под избыточным давлением, данная измерительная схема не применима, т.к. к давлению столба жидкости прибавляется избыточное давление над поверхностью жидкости, не учитываемое данной измерительной схемой.
В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах. Плюсовая камера дифманометра через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой (см.рис 4). Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже, то используют уравнительные сосуды. В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления.
При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему, приведенную на рис.5.1 и 5.2. Уравнительный сосуд в этом случае устанавливают на высоту, соответствующую максимальному значению уровня, и соединяют с аппаратом. Статическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки, поэтому измеряемый перепад давления P можно представить в виде:
P = gРH max - gh.
При h=0 P=P max , а при h = h max P=0.
Плотность жидкости;
g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения
В промышленности для измерения уровня агрессивных средств применяются так же пьезометрические (барботажные) гидростатические уровнемеры. Они представляют собой открытую с одного конца измерительную трубку, опускаемую в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется. Через эту трубку продувается воздух, который барботирует через жидкость в виде пузырьков. Давление воздуха в трубке Р является мерой уровня жидкости (см.рис 6). При этом следует учитывать влияние плотности жидкости, так как Р = gH.
В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с унифицированным токовым или пневматическим сигналом. Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к резервуару осуществляется через разделительные сосуды или разделительные мембраны.
Электрические уровнемеры
Электрические уровнемеры бывают ёмкостные и кондуктометрические.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня. При измерении уровня агрессивных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей(см.рис 7).
 |
|---|
| Рис7. Емкостной уровнемер. |
Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 8,а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней (рис. 8, б) их требуется уже по два. В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.
 |
|---|
| Рис8. Кондуктометрический уровнемер. |
Акустические, или ультразвуковые уровнемеры
Принцип действия всех известных акустических уровнемеров основан на излучении ряда ультразвуковых импульсов, которые распространяются в направлении к поверхности (см.рис 11). Отраженная акустическая волна снова принимается измерителем уровня и обрабатывается микропроцессором. Далее производится температурная компенсация и преобразование на выходной ток (рис. 9).
Применение: жидкости и свободно сыпучие продукты; измерение уровня, объёма и расхода в открытых каналах; слабо парящие, дымящие, перемешивающиеся жидкости, пенящиеся среды, возможность применения при сильном пыление при загрузке сыпучих материалов.
Cигнализаторы уровня
Сигнализаторы уровня - это датчики уровня для контроля граничных/предельных значений уровня.Выходной сигнал сигнализатора уровня изменяется в момент заполнения или освобождения чувствительного элемента измеряемой средой.
Концевые выключатели предельного уровня формируют электрический сигнал в тех случаях, когда уровень контролируемого материала поднимается выше или опускается ниже определенного уровня, заданного относительно высоты установки датчика. Примерами могут служить: защита от переполнения, защита оборудования от режима «сухого хода», проверка минимального и максимального уровней заполнения резервуаров. Для определения предельного уровня предлагаются следующие средства контроля: поплавковые выключатели, концевые выключатели с вибрирующим чувствительным элементом, кондуктометрические выключатели, ёмкостные зонды, погружные магнитные зонды, выключатели на основе гидростатического давления жидкости.
Поплавковый выключатель
Поплавковый выключатель состоит из корпуса поплавка со встроенным микро выключателем и присоединительного кабеля.
Достоинства:
- простота;
- прочность;
- невысокая стоимость.
Недостатки:
- непригодны для клейких жидкостей;
- проблемы с плещущимися жидкостями;
- плавучесть зависит от размеров поплавка;
- точка срабатывания зависит от изменений (колебаний) плотности вещества.
Концевые выключатели с вибрирующим чувствительным элементом
Концевые выключатели с вибрирующим чувствительным элементом- устройства с резонатором камертонного типа (из за формы его часто называют колебательной вилкой), в которых пьезоэлектрическим способом возбуждаются сильные механические колебания в диапазоне резонансных частот. Благодаря высоким механическим качествам вибрирующей системы вполне достаточна весьма малая мощность возбуждения. Размещение чувствительного элемента внутри контролируемой среды вызывает резкое уменьшение амплитуды колебаний вплоть до их полного гашения. Смена состояния колебания состоянием покоя или наоборот в виде электрического сигнала предельного уровня поступает на индикатор. Вибрационные концевые выключатели можно использовать для определения предельного уровня практически всех жидкостей и сыпучих материалов.
Достоинства:
|
|
| Рис11. Вибрационный сигнализатор уровня. |
Кондуктометрический метод определения предельного уровня
Этот метод основан на изменении силы тока. В пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико; при погружении концов электродов в проводящую среду сопротивление уменьшается соответственно величине её проводимости. Область применения метода распространяется исключительно на контроль уровня проводящих жидкостей. Следовательно, уровень сыпучих или вязких материалов измерять указанным методом нельзя. Необходимо наличие у контролируемого вещества определённой минимальной проводимости (более 1 мкC/см), чтобы при измерении уровня кондуктометрическим методом можно было получить различимый сигнал изменения тока. Настоящий метод применяют главным образом для измерения предельного уровня в цистернах, баках и паровых котлах. Воспламеняющиеся жидкости, такие как различные виды топлива, масла и растворители, являются диэлектриками, поэтому для них этот метод неприменим в отличие от кислот, щелочей и растворов, содержащих воду и являющихся проводниками. Уровень агрессивных жидкостей определяется без проблем, путём использования электродов, выполненных из высокопрочных материалов. При реализации кондуктометрического метода два электрода устанавливаются выше поверхности проводящей жидкости, уровень которой контролируется. Когда жидкость достигает той точки, где оба электрода контактируют с жидкостью, электрический ток вызывает срабатывание реле.
Ёмкостный метод определенияпредельного уровня
Этот метод предполагает изменение электрической ёмкости в зависимости от уровня наполнения резервуара. Конденсатор образован стенкой резервуара и щупом, погруженным в его содержимое. В точном определении уровня решающую роль играют конструкция, изоляция и правильное размещение ёмкостного зонда. Поэтому необходимо учитывать следующие факторы: изоляцию зонда, форму резервуара, давление в резервуаре, температуру контролируемого материала, его зернистость, абразивность, химическую агрессивность, вязкость, возможность образования конденсата или пены.
Магнитные погружные зонды предельного уровня
Магнитные погружные зонды предельного уровня разработаны для использования в очищенных жидкостях, таких как вода, растворители, масла, различные виды топлива. В зависимости от вида контролируемой жидкости возможны различные исполнения зондов:
- пластиковые для агрессивных кислот и щелочей;
- из нержавеющей стали для воды, масел и т.п.;
- из нержавеющей стали во взрывозащищённом исполнении;
- для горючих жидкостей, таких как топливо, растворители, спирты.
Эти датчики работают следующим образом: поплавок, направляемый трубкой зонда, плавает на поверхности жидкости; магнит, смонтированный на поплавке, в соответствующем положении замыкает герметизированные контакты, установленные на направляющей трубке, посредством магнитного поля.Точность измерения не зависит от давления, плотности и электрических свойств жидкости.
Гидростатический метод определения предельного уровня
Гидростатический метод подходит для определения уровня любых жидкостей. Здесь непосредственно используется давление, оказываемое жидкостью на дно резервуара: давление, создаваемое в трубке зонда, в случае когда уровень жидкости повышается, воздействует на мембранное устройство; как только давление достигает значения, соответствующего установленному значению уровня, срабатывает переключающее коммутационное устройство (контактор, реле). Мембранное устройство возвращается в первоначальное состояние, когда уровень жидкости и, соответственно, давление снова понизится.
В гидростатических сигнализаторах (рис. 15) используются различные способы подключения к измерительной системе; существуют модификацидатчиков из нержавеющей стали и пластика.
