Визуальные уровнемеры

Изучение устройства и принципа действия датчиков уровня веществ

 

 

 

Тамбов 2003

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 ⁰С. 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.

Рис.4 Поплавковый уровнемер Рис. 5 Тонущий поплавок-буёк.