Визуальные УМ

Раздел 7 Методы измерения уровня жидких веществ

 

Измерения уровня различных материалов достаточно широко используются в технологических процессах, в энергетике, на транспорте, летной и РК технике. Путем измерения уровня можно получить информацию о массе нефтепродуктов или горючего в нефтерезервуарах, танкерах, баках самолетов и ракет и проч. Количественно уровень выражается в единицах длины. Устройства, предназначенные для измерения уровня веществ, называются уровнемерами (УМ).

Разнообразие контролируемых сред, условий применения уровнемеров не позволяет использовать какой-либо один или несколько физических принципов преобразования, поэтому, как правило, тип УМ и принцип его действия выбирают исходя из конкретных измеряемых продуктов, их состояния и условий применения. Иногда для обеспечения надлежащей точности и достоверности измерения, для контроля уровня одного и того же вещества могут применяться УМ, основанные на различных принципах преобразования. Это используется, например, в случае образования в контролируемой жидкости фракций, возникающих в процессе хранения, переработки и пр.

Так, образование пены в процессе нагревания, ферментации и прочих процессов затрудняет использование ультразвуковых и ёмкостных УМ, для радиационных же и поплавковых УМ присутствие пены не является критическим фактором. С другой стороны, радиационные УМ используются, в основном, как сигнализаторы уровня, а поплавковые УМ при измерении в обычном режиме (при отсутствии пены) имеют меньшую точность измерения по сравнению с ультразвуковыми и ёмкостными. Поэтому в данном случае для обеспечения требуемой точности измерения на объект целесообразно устанавливать УМ разного принципа действия, например, ультразвуковой и поплавковый.

Различные методы преобразования, применяемые при измерении уровня можно объединить в несколько блоков, каждый из которых основан на фундаментальных, физических законах.

1. Гравитационные методы, при которых прямо или косвенно используется проявление силы тяжести контролируемой среды (законы Архимеда, сообщающихся сосудов, весовой метод и т. д.).

2. Полевые методы, в которых используются различного рода физические поля для идентификации границы раздела «жидкость–воздух» и эффекты их поглощения и отражения в контролируемой среде.

3. Лучевые методы, при которых используются лучи частиц или сфокусированный оптический луч источника света или лазера.

Первая группа методов – гравитационная – представлена пневматическим, гидростатическим, совмещённым, весовым методами.

Полевые методы – это наиболее многочисленная группа методов, к ней относятся:

- ёмкостной;

- индуктивный;

- резистивный (омический);

- резонансный;

- СВЧ;

- ультразвуковой.

В группу лучевых методов входят и радиоизотопный и оптический методы.

Все перечисленные методы различаются трудоёмкостью, аппаратурным и метрологическим обеспечением, поэтому и применимость их в различных отраслях нефтегазового комплекса различна. Выбор конкретного метода измерения зависит от контролируемой среды, быстродействия, требуемой точности, диапазона измерения, рабочей температуры, различных технологических факторов (времени контроля, возможных химических реакций и т. д.).

Наиболее простыми по конструкции и принципу действия являются УМ, основанные на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Конструктивно они представляют собой трубки или водомерные стёкла, монтируемые на резервуарах (рис. 7.1,а, б). Трубки и стёкла оцифровываются в метрических единицах. Для увеличения диапазона измерения с одновременным сохранением прочности резервуара устанавливается несколько водомерных стёкол, располагающихся на различных, перекрывающихся уровнях (рис. 7.1,б).

а б

Рисунок 7.1–Визуальные уровнемеры

 

Второй тип УМ, имеющий довольно широкое применение – гидростатические УМ принцип их действия основан на законе Паскаля, при этом информативной величиной является давление, создаваемое столбом жидкости в контролируемом объекте. Известно, что уровень и давление связаны простой зависимостью:

,

где P–давление столба жидкости в резервуаре; r–плотность контролируемой жидкости; g = 9,8 м/с² –ускорение силы тяжести.

Этот метод измерения – по давлению – может использоваться только для открытых сосудов, так как для закрытых необходимо учитывать действие воздушной подушки, образующейся между верхней частью сосуда и поверхностью контролируемой жидкости.

Более точными методами являются измерения не относительного, а дифференциального (разностного) давления, которое получается в результате вычитания давлений подаваемых на чувствительный элемент дифференциального манометра (дифманометра) из разных точек (рис. 7.2):

P₁ = gr₁(H₀ + h) + gr_В(H₀– h);

P₂ = gr₂(H₀ + H).

и при r₁ = r₂

P = P₂ – P₁ = g[H(r – r_B) – h(r – r_B)] = g(r – r_B)(H – h),

где r_B–плотность воздуха в закрытом резервуаре.

 

Рисунок 7.2–Схема уровнемера с дифференциальным манометром

Из приведенных формул видно, что разность давлений не зависит от h₀ (уровня размещения дифманометра).

Кроме того, так как r <<r_B, то они упрощается:

P = g r (H – h).

Из приведённых зависимостей видно, что погрешности измерений рассмотренными УМ определяются в основном изменением плотности (r) жидкости, находящейся в подводящих (импульсных) к дифманометру линиях от температуры.

Поплавковые УМ. В них ЧЭ является поплавок, плавающий на поверхности жидкости. Перемещение его вместе с жидкостью преобразуется в электрический сигнал или в метрические единицы. Простейший УМ (рис. 7.3) содержит поплавок, подвешенный на гибком тросе или тягах. На другом конце троса закреплён указатель – стрелка, перемещающаяся по метрической шкале, откалиброванной в единицах уровня. В УМ с дистанционной передачей поплавок соединяется с преобразователем линейных погрешностей в электрический сигнал (индуктивный или трансформаторный преобразователи).

 

Рисунок 7.3–Схема поплавкового уровнемера

 

Ультразвуковые УМ.

Ультразвуковой метод (УЗ-метод) измерения уровня получил широкое распространение в промышленности и в различных технологиях. Это объясняется тем, что УЗ-метод обеспечивает бесконтактное измерение уровня агрессивных и взрывоопасных сред при высоких температурах и давлениях, что очень важно для нефтегазового комплекса, который имеет дело в основном со взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами и газами.

На основе УЗ-метода строятся как УМ, так и сигнализаторы уровня. По принципу работы их можно разбить на три группы: УЗ «локации», «прохождения» и «демпфирования».

В УМ, работающих на принципе локации (отражение от границы двух сред) (рис. 7.4,а,б), информативной величиной служит время распространения УЗ импульса (t) от границы раздела и обратно.

Для ;

,

где h_x –уровень; V_в, V_ж–скорость распространения УЗ-волн в воздухе и жидкости.

Так как V_ж> V_в, то t₁ > t₂.

При локации через газ, воздух необходима большая энергия от излучателя, чем при локации через жидкость из-за рассеяния, но в жидкости появляется зависимость времени прохождения от свойств самой жидкости.

Основываясь на принципе прохождения, изготавливаются сигнализаторы уровня (рис. 7.4,в). Информативной величиной в них является уровень акустических потерь в воздушном зазоре между излучателем и приёмником с одной стороны и контролируемой средой – с другой. Чем ни выше уровень контролируемой среды, тем меньше воздушный зазор, тем меньше рассеяние акустической энергии и больше сигнал на приёмнике. Изменяя расположение передатчика и приёмника, а также регулируя чувствительность приёмника, можно настроить канал на определённый уровень контролируемой жидкости.

Сигнализаторы уровня так же строятся на принципе демпфирования (рис. 3.4,г, д),при котором информативной величиной являются потери энергии УЗ-поля в промежутке между излучателем (пьезо-элементом) и жидкостью. Если потери большие, то колебания автоколебательной системы «пьезоэлемент–генератор» срываются, что сигнализирует о достижении жидкостью требуемого уровня.

	а		в
		б

г д

Рисунок 7.4–Схемы измерения уровня акустическим методом

 

Раздел 8 Измерения электрических величин