Средства измерения уровня. Принципы действия, конструкции, характеристики.

Под уровнем понимают высоту заполнения аппарата рабочей средой. Часто по уровню оценивают количество материала в аппарате, в ряде случаев информацию об уровне используют для управления технологическим процессом. Методы измерения уровня зависят от свойств среды: жидкость или сыпучий материал.

Уровнемеры классифицируют по принципу действия и делят на:

- визуальные, буйковые, гидростатические, (только для жидкостей),

- электрические, ультразвуковые, радиоизотопные.

Визуальные уровнемеры.

К ним относятся мерные линейки (применяют в открытых резервуарах) и уровнемерные стекла. Уровнемерные стекла широко применяются в промышленности. Их действие основано на законе сообщающихся сосудов.

Преимущества – простота конструкции низкая стоимость, наглядность показаний.

Недостатки – низкая механическая прочность и малые рабочие давления, отсутствие дистанционной передачи, невозможность применения при кристаллизующихся и замерзающих жидкостях, а также красителях.

 

Буйковые уровнемеры.

Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом буйковых уровнемеров. Принцип действия основан на законе Архимеда.

 

 

Если уровень контролируемой среды становится выше h₀ (например, h), то часть буйка длиной (h – h₀) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьша­ется на некоторую величину, определяемую как

F =ρgS(h − h₀).

Следовательно, уменьшается и момент М₁, создаваемый буйком на штан­ге (2). Так как момент М₂ становится больше момента М₁, штанга поворачивается вокруг точ­ки О по часовой стрелке и перемещает рычаг (3) измерительного преоб­разователя (5). Электрический или пневматический измерительный преобразователь фор­мирует выходной сигнал. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг (2), не станет равной нулю.

Уплотнительная мембрана (6) служит для герметизации технологической емкости при установке в ней чувст­вительного элемента.

Как вариант, буек может быть установлен в специальной выносной камере вне технологической емкости.

Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м. Класс точности приборов – 1, 1.5.

Гидростатические уровнемеры.

Принцип действия основан на измерении гидростатического давления (закон Паскаля), которое связано с уровнем столба жидкости соотношением: P =ρgh.

Если аппарат находится под давлением, то используют дифманометры со шкалой в метрах. Если рабочая среда агрессивна, то для предотвращения ее контакта с ЧЭ в ДМ используют пьезометрические уровнемеры. ЧЭ такого уровнемера представляет собой стеклянную трубку, в которую с постоянным расходом подается воздух или инертный газ. Давление в трубке после дросселя измеряется манометром. Расход выбирают так, чтобы образовывалось 1-3 пузырька в секунду. Недостатком является невозможность применения в герметичных аппаратах.

Электрические уровнемеры.

К ним относятся:

- кондуктометрические,

- емкостные. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов.

- резонансные (частотные).

Ультразвуковые уровнемеры.

Измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала).

Преимуществом акустических уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня неоднородных кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.

Диапазоны измерений уровня до 30 м. Погрешность точности 3 – 10 мм. Температура контролируемой среды от минус 10 до +150 °С, давление в технологическом аппарате до 1 МПа.

Радиоизотопные уровнемеры основаны на сравнении интенсивностей потоков α- или β-излучения, проходящих выше либо ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Применение этих приборов целесообразно в случае невозможности использовать иные уровнемеры.

Возможны три принципиальные схемы радиоактивных уровнемеров.

 

Схемы (а) и (б) применяют в случаях, когда излучатель нельзя поместить в сосуде. Схему (а) можно применять в качестве сигнализатора максимального или минимального уровня (при неподвижных излучателе 1 и приемнике излучения 2) или для непрерывного измерения уровня со следящей системой. При небольшой высоте столба жидкости (для легких жидкостей до 1 м) можно применять схему (б). Схему (в), целесообразно применять в случаях, когда в сосуд можно поместить поплавок.