Загальні відомості про вимірювання рівня. Поплавкові й буйкові прилади. Гідростатичні рівневимірювачі

Рівнемір – прилад, призначений для визначення рівня вмісту у відкритих і закритих посудинах, резервуарах, сховищах і інших ємностях. Під вмістом маються на увазі різноманітні види рідин, у тому числі й газотвірні, а також сипучі й інші матеріали. Головна відмінність рівнеміра від сигналізатора рівня – це можливість вимірювати градації рівня, а не тільки його граничні значення.

За результатами вимірювання рівня судять про об'ємну кількість речовини, що втримується в резервуарах (баках, цистернах, танках і т.п.). Для цього використовують або мірні ємності постійного (по висоті) поперечного переріза (наприклад, мірні баки об'ємних витратомірних установок), або спеціальні тарувальні таблиці, що ставлять у відповідність кожному поточному значенню рівня значення обсягу резервуара.

Як і всі засоби вимірювання, рівнеміри складаються із сукупності вимірювальних перетворювачів і допоміжних пристроїв, необхідних для здійснення процесу вимірювання (пристроїв для лінеаризації функцій перетворення, відлікових пристроїв і т.д.). Первинний перетворювач (датчик) сприймає вимірювану величину – рівень – і перетворює її у вихідний сигнал, що надходить на наступні перетворювачі, або в показання, відлічувані по шкалі рівнеміра.

До методичних похибок, властивих будь-яким процесам вимірювання рівня рідин, відносяться: погрішність орієнтації датчика в посудині й температурна.

Вимірювання рівня може бути безперервним або точковим. Датчики безперервного рівня вимірюють рівень у заданому діапазоні й визначають точну кількість речовини в певному місці, у той час як датчики точкового рівня вказують тільки, чи перебуває речовина вище або нижче точки сприйняття. Як правило, останні виявляють мінімально або максимально припустимі рівні.

Існує безліч факторів, які впливають на виборі методу вимірювання рівня. Критерії відбору включають фізичну фазу (рідину, тверду речовину або суспензію), температуру, тиск або вакуум, хімічний склад, діелектричне постійне середовища, щільність (питома вага) середовища, перемішування, акустичний або електричний шум, вібрацію, тип резервуара, його розмір і форма. Також важливі обмеження: ціна, точність, зовнішній вигляд, швидкість вимірювання, простота калібрування або програмування, фізичні розміри й установка інструмента, контроль безперервного або дискретного (точкового) рівня.

Погрішність через неправильну просторову орієнтацію датчика виникає внаслідок неточностей установки посудини, монтажу датчика рівнеміра на ньому, деформації несучих елементів посудин, що транспортуються при їхнім заповненні й спорожнюванні, нерівномірного осідання фундаментів стаціонарних ємностей – сховищ і т.д. Усе це, в остаточному підсумку, приводить до розбіжності траси вимірювання рівня з перпендикуляром до поверхні межі середовищ.

У цей час існує різноманітний ряд технічних засобів, які вирішують завдання вимірювання й контролю рівня. Засоби вимірювання рівня реалізують різноманітні методи, засновані на різних фізичних принципах. До найпоширеніших методів вимірювання рівня, які дозволяють перетворити значення рівня в електричну величину й передавати її значення в автоматичні системи керування, належать:

контактні методи:

• хвильоводний;

• поплавковий;

• ємнісний;

• гідростатичний;

• буйковий;

безконтактні методи:

• зондування звуком;

• зондування електромагнітним випромінюванням;

• зондування радіаційним випромінюванням.

Візуальні рівнеміри

Найпростіший рівнемір (візуальний) – водомірне скло, у якому використаний принцип сполучених посудин, служить для безпосереднього спостереження за рівнем рідини в закритій посудині (див. рис 4.2.1). Вказівне скло з'єднують із посудиною нижнім кінцем (для відкритих посудин) або обома кінцями (для посудин з надлишковим тиском або розрідженням). Спостерігаючи за положенням рівня рідини в скляній трубці, можна судити про зміну рівня в посудині. Стекла комплектують вентилями або кранами для відключення їх від посудини й продувки системи.

При відповідному (виключаючи вплив меніска) діаметрі мірної трубки, підсвічуванню поверхні поділу й використанні спеціальних засобів відліку (наприклад, катетометрів) погрішність візуальних рівнемірів при нерухливій поверхні рідини може бути зведена до десятих і навіть сотих часток міліметра. Внаслідок цього вони знаходять широке застосування в перевірочних установках з мірними баками, зразкових мірниках. Складність дистанційних вимірювань рівня, неможливість використання в системах регулювання автоматизованими технологічними процесами перешкоджають широкому промисловому застосуванню візуальних рівнемірів.

Не рекомендується використовувати вказівні стекла довжиною більш 0,5 м, тому при контролірівня, що змінюється більше чим на 0,5 м, установлюють кілька стекол таким чином, щоб верх попереднього скла перекривав низ наступного.

Рис 4.2.1 – Візуальний рівнемір

Поплавкові рівнеміри

Поплавкові – рівнеміри із чутливим елементом (поплавцем), тоді вимірювання відбувається по оцінці положення предмета на поверхні рідини щодо двох точок вимірювань.

На рис 4.2.2,а представлений рівнемір, показання якого зчитуються за допомогою вантажу, з'єднаного гнучким тросом з поплавцем – чим вище рівень рідини, тим більше опуститися вантаж. Лінійні переміщення вантажу перетворюються в електричний сигнал, який і буде сигналізувати про рівень рідини

На рис 4.2.2,б представлений магнітний байпасний індикатор рівня, що функціонує за принципом сполучених посудин. Вимірювальна камера встановлюється впритул до ємності таким чином, щоб умови у вимірювальній камері й у ємності були однаковими. Поплавець оснащений системою постійних магнітів, призначених для передачі обмірюваних значень на локальний індикатор. Система магнітів поплавця або активує магнітні пластини (прапорцевий індикатор) відповідно до рівня рідини, або переміщає магнітний покажчик в індикаторі залежно від обраного способу індикації. Індикація рівня здійснюється за допомогою зміни положення групи вертикально розташованих магнітних прапорців або виходячи з положення магнітного покажчика.

Поплавкові вимірювальні прилади діляться на рівнеміри вузького й широкого діапазонів.

Поплавкові рівнеміри вузького діапазону являють собою пристрої, що містять кулястий поплавець, виконаний з нержавіючої сталі, який плаває на поверхні рідини й через штангу й спеціальне ущільнення з'єднується або зі стрілкою вимірювального приладу, або з перетворювачем кутових переміщень в уніфікований електричний або пневматичний сигнали.

Рис 4.2.2 – Поплавкові рівнеміри вузького (а) й широкого (б) діапазону: 1- поплавець, 2 – поплавковий гнучкий трос, 3 – вантаж, 4 - шкала

Поплавкові рівнеміри широкого діапазону являють собою: поплавець, пов'язаний із противагою гнучким тросом, у нижній частині противаги укріплена стрілка, що вказує значення рівня рідини в резервуарі.

Важливою характерною рисою поплавкових рівнемірів, є високе розширення приладу 0,1 мм і точність вимірювань – 1 мм.

Область застосування поплавкового методу вимірювання рівня дуже широкий. Його не можна застосовувати тільки в середовищах, що утворюють налипання, а також відкладання осаду на поплавець. Типовим застосуванням поплавкових рівнемірів є вимірювання рівня палива, масел, легких нафтопродуктів у відносно невеликих ємностях і цистернах. Поплавковий метод може з успіхом застосовуватися у випадку пінливих рідин, а для липких середовищ існують вібраційні поплавкові покажчики рівня рідини.

Переваги:

• проста конструкція;

• надійні й прості в обслуговуванні;

• витримують високий тиск і температуру;

• незалежність вимірювань від хімічного стану рідини;

• доступна ціна.

Недоліки:

• немає функцій самодіагностики, тому рекомендується здійснювати регулярний контроль їх стану й технічне обслуговування;

• рухливі частини таких сигналізаторів піддаються забрудненню липкими або грузлими рідинами;

• робота поплавця може залежати від коливань у рідині; хлюпання й невеликі вібрації можуть спотворити показання поплавця;

• не придатні для грузлих рідин (дизельного палива, мазуту, смол) через залипання поплавця, обволікання його грузлим середовищем;

• при вимірюванні рівня криогенних рідин через кипіння верхнього шару виникає вібрація поплавця, що приводить до викривлень результатів вимірювання.

Буйкові рівнеміри

Буйкові рівнеміри працюють за принципом витиснення. Згідно із цим принципом довжина тіла, зануреного в рідину, відповідає діапазону вимірювання рівня. Підвішений на вимірювальній пружині стрижень-витискувач занурений у рідину, і на нього відповідно до закону Архімеда впливає сила, що виштовхує, пропорційна масі витиснутій тілом рідини. Зміні сили, що виштовхує, точно відповідає зміна довжини пружини, що дозволяє виміряти рівень. Зміна довжини пружини перетворюється за допомогою магнітної системи в зміну рівня й передається на індикатор.

Циліндричний буй, який виготовлений з матеріалу, щільність якого більше щільності рідини, є чутливим елементом буйкових рівнемірів. Прикладом матеріалу буя може служити нержавіюча сталь.

Буй розташовується у вертикальному положенні й повинен бути частково занурений у рідину. Довжина буя підбирається таким чином, щоб вона була наближена до максимального вимірюваного рівня.

За законом Архімеда вага буя в рідині повинна змінюватися пропорційно зміні рівня цієї рідини.

У найпростішому випадку буй закріплений на пружній підвісці із жорсткістю з дієючою на буй з певним зусиллям (на рис 4.2.3,а таким елементом є пружина). Збільшуючи рівень на Н від нульового положення, збільшуємо виштовхуючу силу, що спричиняє підйом буя на х, причому при його підйомі збільшується осідання, тобто х < h. При цьому змінюється зусилля, з яким підвіска діє на буй, причому зміна дорівнює зміні сили, що виштовхує, викликаної збільшенням опаду буя на (h – х).

Рис 4.2.3 – Буйковий рівнемір з пружиною (а) й с противагою (б)

Таким чином, статична характеристика буйкового рівнеміра лінійна, причому чутливість його може бути змінена за рахунок збільшення F або зменшення твердості підвіски с.

Принцип дії рівнеміра із противагою представлено на рис 4.2.3,б. Коли рівень рідини в ємності менше або дорівнює початковому рівню h₀ (зона нечутливості рівнеміра), вимірювальна штанга 2, на яку підвішений буй 1, перебуває в рівновазі. Момент М₁, створюваний вагою буя G₁, урівноважується моментом М₂, створюваного противагою 4.

Якщо рівень контрольованого середовища стає вище h₀ (наприклад, h), то частина буя довжиною (h – h₀) поринає в рідину, тому вага буя зменшується на деяку величину, обумовлену як

Отже, зменшується й момент М₁, створюваний буєм на штанзі 2. Тому що момент М₂ стає більше моменту М₁, штанга повертається навколо точки 0 за годинниковою стрілкою й переміщає важіль 3 вимірювального перетворювача 5. Електричний або пневматичний вимірювальний перетворювач формує вихідний сигнал. Рух вимірювальної системи відбувається доти, поки сума моментів усіх сил, що діють на важіль 2, не стане рівною нулю. Ущільнювальна мембрана 6 служить для герметизації технологічної ємності при установці в ній чутливого елемента. Як варіант, буй може бути встановлений у спеціальній виносній камері поза технологічною ємністю.

Діапазон вимірювання буйкових рівнемірів знаходиться в межах від 0,025 м до 16 м. Особливість буйкових рівнемірів – наявність початкового (неконтрольованого) рівня, від якого ведеться відлік показань. Розмір початкового рівня становить звичайно 4-10 мм. Він необхідний для усунення впливу сил поверхневого натягу, який максимальний в моментторкання (або відриву) буя поверхні рідини. Із цією же метою використовують спеціальні покриття, що зменшують налипання рідини на поверхні буя.

Переваги й недоліки такі ж, як і в поплавкових рівнемірах.

Гідростатичний рівнемір

Принцип дії гідростатичних рівнемірів (рис 4.2.4,а) заснований на вимірюванні тиску стовпа рідини, висота якого дорівнює висоті рівня рідини в посудині. Гідростатичний тиск при цьому виміряється або за допомогою двох манометрів (М₁ М₂), або одним диференціальним манометром (ДМ).

Рис 4.2.4 – Гідростатичний (а) й п’єзометричний (б) рівнеміри

Вимірювання рівня у відкритому резервуарі

Для того щоб одержати значення рівня у відкритому резервуарі, необхідно виміряти гідростатичний тиск рідини. Стовп рідини впливає на основі стовпа, обумовлене вагою рідини. Цей вплив, який називається гідростатичним тиском або тиском стовпа рідини, може бути виміряний в одиницях тиску. Гідростатичний тиск визначається наступним рівнянням:

Де Р – гідростатичний тиск; h – висота стовпа; ρ – густина рідини, g = 9,8 Н/кг – стала величина.

При зміні рівня (висоти стовпа) рідини пропорційно змінюється й гідростатичний тиск. Тому найпростішим способом вимірювання рівня в резервуарі є установка датчика тиску на самому нижньому рівні. Рівень рідини над точкою вимірювання може бути отриманий з величини гідростатичного тиску, якщо формулу, зазначену вище, перетворити для розрахунків висоти.

Вимірювання рівня в закритому резервуарі

Якщо резервуар перебуває під тиском, то показань одного датчика надлишкового тиску недостатньо, тому що датчик не може розпізнати, чи викликана зміна загального тиску зміною рівня рідини або зміною тиску в резервуарі. Для розв'язку цього завдання в закритих резервуарах повинен застосовуватися датчик перепаду тиску, щоб компенсувати тиск у резервуарі.

При вимірюванні перепаду тиску зміна сумарного тиску в резервуарі рівною мірою впливає на верхній і нижній відбір, тому вплив внутрішнього тиску повністю виключається.

На нижньому відборі поблизу дна резервуара, виміряється сума гідростатичного тиску й тиску в парогазовому просторі. На верхньому відборі виміряється тільки тиск у парогазовому просторі. Різниця тисків на відборах (диференціальний тиск) використовується для визначення рівня.

Гідростатичний рівнеміри застосовуються для:

• безперервного моніторингу тиску й рівня води або інших рідин різної щільності, забруднення й агресивності (кислоти, високов'язкі й пастоподібні продукти);

• виміру рівня газів у резервуарах;

• реєстрації даних стану середовища вимірювання для наступного використання в автоматизованій системі;

• сигналізації по певних подіях (наприклад, досягнення певної температури й рівня);

• обстеження вузьких труб і інших важкодоступних місць;

• захисту скважинних насосів від «сухого» (холостого) ходу;

• керування технологічними процесами в автоматизованих системах (таких як насосні станції або каналізаційні системи);

• контролю й спостереження за спустошенням сховищ;

• спостереження за осіданням і положенням судна.

Переваги:

• низька ціна;

• простота в експлуатації;

• можуть застосовуватися практично в будь-яких резервуарах і будь-якими рідинами, включаючи суспензії;

• можуть працювати в широкому діапазоні тисків і температур, й так само при наявності піни й неспокійної поверхні.

Недоліки:

• на погрішність вимірювання може вплинути зміна щільності рідини.

• необхідно дотримувати особливих запобіжних заходів при роботі із грузлими, коррозійно-активними або іншими агресивними рідинами;

• не працюють із середовищами, що перебувають у твердому стані.

• якщо датчики тиску встановлені з імпульсними трубками (сухі й мокрі коліна), тоді на їхню роботу буде впливати зміна температури навколишнього середовища через зміну щільності, що заповнює рідини в мокрому коліні або нагромадження конденсату в сухому коліні.

Гідростатичні рівнеміри з механічними сприймаючими елементами відрізняються простотою монтажу й обслуговування, високою надійністю. Однак їх чутливий елемент перебуває в безпосередньому контакті з контрольованим середовищем, що вимагає в ряді випадків застосування для датчиків спеціальних матеріалів, суттєво звужує область їх використання. Від зазначеного недоліку вільний один з типів гідростатичних рівнемірів – п'єзометричний, принципова схема якого наведено на малюнок 4.2.4,б.

Дайте відповіді на питання

1. Які методи вимірювання рівня ви знаєте?

2. Назвіть одиниці вимрювання рівня

3. Що собою являє візуальний рівнемір?

4. Назвіть принцип дії поплавкового рівнеміра

5. Який закон покладений в принцип дії буйкового рівнеміра?

6. За якою формулою визначається гідростатичний тиск?