Приборы для измерения уровня

v соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом

обслуживании.

Недостатки:

v движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам

измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости

потока жидкости следствие закона Бернулли);

v атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

v изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

Рассмотрим  гидростатические средства контроля уровня на примере изделий фирмы

Pepperl+Fuchs, которая в настоящее время предлагает измерительные зонды серии LGC и

ряд датчиков гидростатического давления под общей торговой маркой Barcon (РРС-М20,

LHC-М20, РРС-М10, LHC-М40).

Гидростатические  зонды для измерения уровня LGC

Зонды уровня серии LGC (рис. 9) являются датчиками

гидростатического давления для измерения уровня пресной воды,

питьевой воды и сточных вод. Модели со встроенным

термопреобразователем сопротивления из платиновой проволоки

Р1100 одновременно определяют температуру в месте  установки

датчика. Соответствующий преобразователь (поставляется

отдельно по заказу) трансформирует сигнал

термопреобразователя сопротивления в унифицированный

токовый сигнал 4...20 мА.

Керамический  измерительный элемент зонда  является

ｫсухимｻ, то есть давление воздействует непосредственно на

прочную керамическую диафрагму датчика и вызывает её перемещение максимум на

0,005 мм. Влияние  атмосферного давления, действующего  на поверхность жидкости,

устраняется посредством его приложения через специальную трубку для компенсации

давления к задней стороне керамической диафрагмы (рис. 10). Изменения ёмкости,

вызванные перемещением диафрагмы под действием давления, выявляет керамический

измерительный элемент. Электронная часть датчика преобразовывает их в сигналы,

пропорциональные текущим значениям давления, которое связано линейной

зависимостью с величиной уровня измеряемой среды.

На рис. 11 представлен пример монтажа гидростатического зонда уровня серии

LHC.

Необходимо  отметить следующие моменты:

v боковое перемещение кабеля зонда может вызвать ошибки измерения,

поэтому зонд необходимо устанавливать в месте, где отсутствуют движение

жидкости и турбулентные потоки, или применять направляющую трубу с

внутренним диаметром более 23 мм;

v конец кабеля должен размещаться в сухом помещении или соответствующей

распределительной оболочке;

v защитный колпачок предназначен для предупреждения механических

10

повреждений измерительного элемента.

Датчики гидростатического давления Barcon

Как отмечалось ранее, при управлении технологическими процессами в

резервуарах-хранилищах предприятий химической, нефтехимической, фармацевтической

11

или пищевой отраслей промышленности в применениях, связанных с охраной

окружающей среды, уровень жидкостей или взвесей определяется по давлению,

оказываемому ими на первичный измерительный преобразователь.

Широко используемые в перечисленных отраслях датчики  гидростатического

давления серии Barcon позволяют строить надёжные и недорогие измерительные системы,

отличающиеся разнообразными гибкими возможностями. Основным элементом этих

датчиков является первичный измерительный преобразователь. Керамические или

металлические мембранные преобразователи (рис. 12), разнообразные способы монтажа

на резервуары, многочисленные варианты конструкции корпусов датчиков, выполненных

из разных материалов, обеспечивают многообразие изделий серии Barcon. Для данных

устройств могут быть реализованы различные способы электрических подключений, в

том числе на базе сетевых протоколов PROFIBUS-PA или HART. Всё это позволяет

создавать специальные измерительные приборы для решения конкретных задач заказчика.

Варианты  установки датчиков гидростатического  давления LHC показаны на рис. 13.

12

Общие технические данные датчиков серии  Barcon

Датчики с керамическим измерительным элементом:

v керамический ёмкостный первичный измерительный преобразователь;

v диапазон измерений от 100 мбар до 40 бар;

v герметизированы с защитой от перегрузки;

v соответствуют высоким санитарно-гигиеническим требованиям;

v могут работать в коррозионных и абразивных средах.

Датчики с металлическим измерительным  элементом:

v сварной пьезорезистивный металлический преобразователь;

v диапазон измерений от 1 до 400 бар;

v защита от перегрузки до 600 бар.

Точность  измерения:

v не хуже 0,2% установленного диапазона;

v возможность установки диапазона измерения с диапазоном изменения в

соотношении 10:1;

v долговременная нестабильность менее 0,3% диапазона за год.

Электрические средства измерений уровня

По виду чувствительного  элемента электрические средства измерений  уровня

подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

Емкостные уровнемеры. В уровнемерах этого типа используется зависимость

электрической емкости чувствительного элемента первичного измерительного

преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные

элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или

параллельно расположенных плоских электродов. В номенклатуру средств измерений

уровня ГСП входят емкостные уровнемеры с коаксиально расположенными электродами.

Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными

электродами определяется физико-химическими свойствами жидкости. Для

неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей — жидкостей, имеющих удельную

электропроводность менее 10-6 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные

чувствительным элементом, схемы которого представлены на рис. 14.

Чувствительный __________элемент (рис. 14, а) состоит

из двух коаксиально расположенных электродов 1 и

2, частично  погруженных в жидкость. Электроды

образуют цилиндрический конденсатор,

межэлектродное пространство которого до высоты h

заполнено жидкостью, а пространство H - h —

парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного

расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость

цилиндрического конденсатора определяется уравнением

C = 2pee0H [ln(D d )], (4)

где e — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего

межэлектродное пространство;

e0 — диэлектрическая проницаемость вакуума;

Н— высота электродов;

D, d — диаметры соответственно наружного и внутреннего электродов.

Для цилиндрического  конденсатора, межэлектродное пространство которого

заполняется веществами, обладающими различными диэлектрическими

проницаемостями, как показано на рис. 9, а, полная емкость СП определяется выражением:

СП=С0+С1+С2, (5)

где С0— емкость проходного изолятора;

Рис. 14. Емкостные уровнемеры.

13

С1— емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью;

С2— емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью.

С учетом уравнения (4) полную емкость чувствительного  элемента представим в

виде

( )

( )

(D d )

H h

D d

C C жh Г

П ln

2

ln

2 0 0

0

-

= + +

pe e pe e

, (6)

Так как для  паров жидкости и газов e Г »1, а С0—величина постоянная,

уравнение (6) можно преобразовать следующим образом:

( ) ( ) úû

ù

êë

= + é + -

H

H h

D d

C C h П 1 ж 1

ln

2 0

0 e

pe

, (7)

Уравнение (7) представляет собой статическую  характеристику емкостного

чувствительного элемента для неэлектропроводных сред. Величина eж является

функцией температуры, поэтому Для исключения влияния температуры жидкости на

результат измерения применяют компенсационный конденсатор (рис. 9, в).

Компенсационный конденсатор 1 размещается ниже ёмкостного чувствительного

элемента 2 и полностью погружен в жидкость. В некоторых случаях при постоянстве

состава жидкости его заменяют конденсатором постоянной емкости.

Для измерения  уровня электропроводных жидкостей  — жидкостей с удельной

проводимостью более 10-4 См/м применяют уровнемеры, оснащенные емкостным

чувствительным элементом, изображенным на рис. 14, б. Чувствительный элемент

представляет собой металлический электрод 1, покрытый фторопластовой изоляцией 2.

Электрод  частично погружен в жидкость. В качестве второго электрода используется либо

стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод,

если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Полная емкость чувствительного

элемента, изображенного на рис. 9, в, определяется уравнением:

1 2

1 2

0 C C

C C C C П +

= + , (8)

где С0— емкость проходного изолятора;

C1 — емкость конденсатора, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости

на границе с изолятором;

С2 — емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с

изолятором и стенками резервуара.

Преобразование  электрической емкости чувствительных элементов в сигнал

измерительной информации осуществляется резонансным, импульсным методом или с

помощью мостов переменного тока с самоуравновешиванием.

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.

Измерительный зонд в зависимости от требуемой  длины выполняют из

проволочного тросика, металлического стержня или трубки.

В емкостных  уровнемерах, входящих в номенклатуру ГСП, преобразование

емкости осуществляется импульсным методом, в реализации которого используются

переходные процессы, протекающие в чувствительном элементе, периодически

подключаемом к источнику постоянного напряжения.

Емкостные уровнемеры выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,5. Их

минимальный диапазон измерений составляет 0—0,4 м, максимальный 0—20 м; давление

рабочей среды 2,5—10 МПа; температура от —60 до +100ｰС или от 100 до 250ｰ С. На базе

14

рассмотренных емкостных чувствительных элементов разработаны взрывобезопасные

сигнализаторы уровня раздела жидкостей ｫнефтепродукт— водаｻ и других жидкостей с

различными значениями относительной диэлектрической проницаемости. При длине

погруженной части чувствительного элемента 0,25 м погрешность срабатывания

сигнализатора ｱ10 мм.

Емкостные средства контроля предельного уровня представлены в номенклатуре

фирмы Pepperl+Fuchs концевыми выключателями серии LCL.

Ёмкостные сигнализаторы предельного уровня LCL

Новая серия  ёмкостных концевых выключателей LCL предназначена для

определения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов в бункерах и хранилищах.

Типичными сыпучими материалами являются гипс, цемент, песок, известь, угольная пыль,

стиральный порошок, крупы, смешанный фураж, мука или сухое молоко. Поставляются

датчики в компактном исполнении с длиной зонда всего 140 мм и модели с длиной кабеля

зонда 6000 мм. Ёмкостные выключатели легко вводятся в эксплуатацию (технология plugand-

play), активная  компенсация влияния раскачивания  зонда и конструктивная прочность

являются их дополнительными достоинствами.

Ёмкостные выключатели LCL поставляются в следующих вариантах  исполнения:

• релейный выход, питание от сетей переменного и постоянного тока;

• PNP-выход, трёхпроводная схема питания  напряжением постоянного тока.

Рис. 10 и 11 показывают требования к установке ёмкостных  датчиков LCL1 и

LCL2 с кабельным  зондом.

Если стенка резервуара выполнена из электропроводящего материала, то её

необходимо соединить с землёй; если резервуар изготовлен из неметаллического

материала, то следует снабдить электроды дополнительным противоположным

электродом (или металлической лентой) и соединить его с землёй.

Основные достоинства:

v простота установки и эксплуатации;

v многофункциональность применения;

v возможность использования с клейкими веществами;

v активная компенсация влияния раскачивания зонда.

15

Кондуктометрические сигнализаторы уровня.

Этот метод  основан на изменении силы тока. При 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 мкС/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