2.3 Датчики для контролю рівня речовин
Вимірювання рівня рідини відіграє важливу роль при автоматизації технологічних процесів у багатьох галузях промисловості. Ці виміри особливо важливі в таких випадках, коли підтримання деякого заданого рівня рідин, пов'язано з умовами безпечної роботи обладнання. На сьогодні існує велике число методів виміру рівня рідин. Вимір рівня відбувається як у відкритих ринках, так і в ємностях, що знаходяться під тиском.
Технічні засоби, які призначені для виміру рівня рідини, називають рівнемірами.
За принципом дії рівнеміри підрозділяються на гідростатичні, поплавкові, ємнісні, радіоізотопні й інші, що одержали незначне поширення.
Одним із найбільш поширених методів є вимір гідростатичного тиску стовпа рідини манометричними або пневмометричними пристроями. У цих методах, як правило, головною є похибка за рахунок зміни щільності рідини, що вимірюється, від температур. Для виключення або зменшення цієї похибки створюються складні вимірювальні системи, що одночасно вимірюють гідростатичний тиск рідини та її щільність і коригуючі потім показання рівнеміра відповідно до щільності. Природно, це ускладнення вимірювальної системи зменшує її надійність.
Всі системи виміру рівня рідин гідростатичним методом потребують ретельного аналізу вимірювальної системи, сполучних ліній, їхнього температурного режиму, особливостей роботи вимірювальних перетворювачів. Наприклад, для однієї й тієї ж системи виміру рівня в барабані котла застосування мембранних дифманометрів замість поплавкових істотно зменшує можливі похибки виміру рівня.
Рівнеміри, які застосовуються для виміру рівня рідини з метою підтримки його постійним у певних межах, компонують пристроєм для сигналізації граничних відхилень рівня від заданого значення.
Для виміру рівня рідини застосовують поплавкові, буйкові, гідростатичні, ультразвукові й акустичні прилади, для виміру рівня рідини і твердих сипучих матеріалів – ємнісні і радіоізотопні.
Крім того, знаючи площу будь-якої ємності, за величиною рівня можна визначити кількість речовини в ній. Часто за умовами технологічного процесу немає необхідності у вимірі рівня по усій висоті апарату. У таких випадках застосовують узкомежні, але більш точні рівнеміри. Особливу групу складають рівнеміри, які використовуються тільки для сигналізації граничних значень рівня.
Як рівнеміри використовують серійні дифманометри – поплавкові, мембранні і сильфонні (див. розділ “Вимір тиску”). У ряді технологічних процесів можливе використання пневмометричних рівнемірів, у яких гідростатичний тиск стовпа рідини врівноважується тиском повітря (інертного газу). Як вимірювальний перетворювач, як правило, використовуються дифманометри, а при зміні у відкритих ринках можуть бути використані напірометри і манометри.
Рівнеміри з візуальним відліком. Найпростішими приладами для виміру тиску є рівнеміри з візуальним відліком. Такі рівнеміри базуються на візуальному вимірі висоти рівня рідини. За невисоких тисків середовища висота рівня вимірюється у скляній трубці (вказівному склі), яка сполучається з рідинним і газовим просторами контрольованого резервуара (рис. 2.53). За підвищених тисків застосовуються плоскі стекла, на поверхні яких із боку рідини нанесені вертикальні грановані канавки. З умов міцності не рекомендується застосовувати вказівні стекла довжиною більше 0,5 м, тому при великому діапазоні зміни рівня встановлюється декілька стекол у шаховому порядку таким чином, щоб їхні діапазони виміру перетиналися.
Основним джерелом додаткової похибки таких рівнемірів є різниця щільностей рідини в контрольованому резервуарі та у склі, що викликається розходженням температур (особливо якщо рідина в резервуарі знаходиться за високої температури, а вказівне скло знаходиться на значному віддаленні). Розходження щільностей призводить до розходження рівнів у резервуарі і вказівному склі (рівень у склі іноді називають “ваговим” рівнем).
Рис. 2.53 – Схема рівнеміра з візуальним відліком
Похибка може досягати істотних значень, тому з метою її зменшення необхідна або теплова ізоляція рівнеміра, або продування його рідиною з резервуара перед відліком.
Поплавкові рівнеміри. У поплавкових рівнемірах є плаваючий на поверхні рідини поплавець, у результаті чого рівень, який вимірюється, перетворюється на переміщення поплавця. У таких приладах використовується легкий поплавець, виготовлений із корозійностійкого матеріалу.
Поплавкові рівнеміри є одними з найбільш простих і надійних. Проте вони практично не можуть застосовуватися за високих тисків. Вони дозволяють контролювати рівень рідин у широкому діапазоні від 50 до 2000 мм. До таких сигналізаторів граничних значень контрольованих рівнів відносяться поплавкові прилади типів РРС (реле рівня сильфонне), СУ (сигналізатор рівня), ДРР (дистанційне реле рівня).
На рис. 2.54 показано загальний вид приладу ДРУ-1. Поплавець 3 (порожниста металева куля), сполучений початком 2 із мікровимикачем 1, знаходиться в контрольованій рідині. При досягненні максимального рівня на кулю 3 діє гранична уштовхуюча сила, що змушує шток 2 підніматися і переключати мікровимикач, який сигналізує про аварійний рівень.
Індикуючий пристрій сполучено з поплавцем тросом або за допомогою важелів. Поплавковими рівнемірами можна вимірювати рівень рідини у відкритих ємностях.
Основними несправностями у таких приладах є порушення герметичності кулі, корозія контактів перемикача внаслідок підвищеної вологості контрольованого середовища.
За необхідності поверхня кулі в місцях ушкодження підлягає паянню припоєм ПОС-40 або ПОС-60 за допомогою газового пальника або паяльника. Мікроперемикач залежно від ступеня корозії підлягає ремонту або заміні на новий тип МП.
Рис. 2.54 – Датчик-реле рівня типу ДРУ-1: 1 – корпус датчика з мікровимикачем; 2 – шток; 3 – поплавець
Буйкові рівнеміри. У буйкових рівнемірах (рис. 2.55) застосовується нерухомий занурений у рідину буй 3. Принцип дії буйкових рівнемірів базується на тому, що на занурений буй діє з боку рідини виштовхуюча сила F. За законом Архімеда ця сила дорівнює вазі рідини, витиснутої буйком. Але, як очевидно з рис, 2.55, кількість витиснутої рідини залежить від глибини занурення буя, тобто від рівня в ємності H. Таким чином, у буйкових рівномірах рівень H, який вимірюється, перетворюється на пропорційну йому виштовхуючу силу. Тому залежність виштовхуючої сили від рівня, який вимірюється, лінійна.
Рис. 2.55 – Буйковий рівнемір: 1 – важіль; 2 – проміжний перетворювач сили в уніфікований сигнал; 3 – буй
У буйкових рівнемірах УБ-П і УБ-Э буй передає зусилля на важіль 1 проміжного перетворювача 2. Вихідний сигнал першого рівнеміра – уніфікований пневматичний, іншого – уніфікований електричний сигнал (постійний струм).
Принцип дії буйкових рівнемірів дозволяє в широких межах змінювати їх діапазон виміру. Це досягається як заміною буя, так і зміною передатного підиймаючого механізму проміжного перетворювача. Рівнеміри УБ можуть вимірювати рівень у межах від 0-40 мм до 0-16 м.
Застосування буйкових, а так само і поплавкових рівнемірів ускладнено в агресивних рідинах і середовищах з осадами, що випадають. Для дистанційного виміру рівня рідини застосовуються буйкові рівнеміри з уніфікованим електричним або пневматичним сигналом типів УБ-Э й УБ-П. Вимірювальні схеми рівнемірів побудовані за принципом компенсації зусиль.
Прилад УБ-П має пневматичний вихідний сигнал, що дозволяє підключати до нього манометричний реєструючий прилад (для відліку показань рівня).
Рис. 2.56 – Схема роботи рівнеміра УБ-П: 1 – пружина коректора; 2 – Т-подібний важіль; 3 – рухлива опора; 4 – пневмореле; 5 – сопло; 6 – заслінка; 7 – Г-подібний важіль; 8 – сильфон зворотного зв'язку; 9 – вантаж-противага; 10 – датчик-буй
Самостійно як вимірювач рівня рівнемір УБ-П не застосовується, а використовується як датчик. На рис. 2.56 наведено принцип дії даного рівнеміра. Буй 10, занурений у рідину, через систему важелів урівноважений у визначеному положенні протидіючим вантажем Р1. При зміні рівня рідини змінюється сила, яка виштовхує поплавець. Внаслідок цього порушується рівновага вимірювальної системи "вантаж – противага" і на чутливому елементі зміна рівня перетворюється в пропорційне зусилля, що врівноважується зусиллям сильфона зворотного зв'язку 8. Цей тиск і є пневматичним вихідним сигналом рівнеміра, який змінюється в межах 0,02-0,1 МПа.
Гідростатичні рівнеміри. Гідростатичний метод виміру рівня базується на тому, що в рідині існує гідростатичний тиск, пропорційний глибині, тобто відстані від поверхні рідини. Тому для виміру рівня гідростатичним методом можуть бути використані прилади для виміру тиску або перепаду тисків. Як такі прилади звичайно застосовують дифманометри.
При вмиканні дифманометра 1 за схемою, показаною на рис. 2.57, а, перепад тисків на ньому буде дорівнювати гідростатичному тиску рідини, що пропорційно рівню H, який вимірюється.
Якщо рідина в ємності знаходиться під надлишковим тиском, то дифманометр 1 включають за схемою, приведеною на рис. 2.57, б, причому його плюсову камеру з'єднують із простором над рідиною через порівнювальну посудину 2. Цю посудину заповнюють рідиною, стовп якої створює постійний гідростатичний тиск у плюсовій камері дифманометра.
Оскільки вимірюється перепад тисків, рівний різниці гідростатичних тисків рідини в камерах дифманометра, вимірюваний рівень буде пропорційний різниці між рівнем у розділювальній судині Hmax і рівнем, який вимірюється Н. Оскільки рівень у розділювальній судині постійний і відомий, то його завжди можна врахувати в показаннях приладу.
При вимірі рівня агресивних рідин дифманометр захищається розділювальними посудинами або мембранними роздільниками, що дозволяє заповнити його камери і трубки неагресивною рідиною.
 |
 |
 |
| а) | б) | в) |
Рис. 2.57 – Вимір рівня дифманометрами: а – у відкритій ємності; б – у ємності під тиском; в – для суспензій і шламів; 1 – дифманометр; 2 – зрівняльна судина
При вимірі рівня суспензій і шламів осади можуть забивати імпульсні трубки дифманометрів, їх безупинно продувають стиснутим повітрям. У цьому випадку дифманометр 1 включають за схемою, приведеною на рис. 2.57, в. Імпульсні трубки увесь час заповнені повітрям для продуття. За невеликої витрати повітря його тиск у мінусовій камері стає рівним тиску над рідиною в ємності, а в плюсовій – тиску в рідині. Тому перепад тисків у дифманометрі буде дорівнювати гідростатичному тиску рідини і, отже, буде пропорційний рівню, що вимірюється.
Ємнісні рівнеміри. Ємнісні рівнеміри використовують для виміру рівня зміни ємності вимірювального перетворювача, викликаного зміною рівня рідини. Рівнеміри такого типу можуть застосовуватися для виміру як неелектропровідних, так і електропровідних рідин. Вони придатні для виміру рівня в широкому діапазоні тисків і температур агресивних і неагресивних середовищ. Їх показання залежать від діелектричної проникності середовища, яка може змінюватися з температурою. Застосування компенсаційних ємностей дозволяє істотно зменшити цей вплив, але не виключає його цілком. Електронна схема ємнісних рівнемірів достатньо складна, що обмежує їх широке поширення.
Найпростіший первинний перетворювач ємнісного приладу являє собою електрод 1 (металевий стрижень або провід), розташований у вертикальній металевій трубці 2 (рис. 2.58, а). Стрижень разом із трубою утворюють конденсатор. Ємність такого конденсатора залежить від рівня рідини, тому що при його зміні від нуля до максимуму діелектрична проникність буде змінюватися від діелектричної проникності повітря до діелектричної проникності рідини.
 |
 |
| а) | б) |
Рис. 2.58 – Ємнісний рівнемір: а – будова датчика; б – електрична схема рівнеміра
Електрична схема ємнісного рівнеміра приведена на рис. 2.58, б. Вимір електричної ємності первинного перетворювача Сх виконуєтся незрівноваженим мостом перемінного струму, плечами якого є індуктивності L1 і L2 і ємність первинного перетворювача Сх. При зміні рівня змінюється ємність Сх, що призводить до зміни вихідної напруги моста V.
Ємнісні рівнеміри можуть вимірювати рівень не тільки рідин, але і твердих сипучих матеріалів: цементу, вапна і т.п.
Для підвищення чутливості ємнісних сигналізаторів рівня електроди встановлюють у горизонтальному положенні. У цьому випадку похибка виміру не перевищує 3 мм.
Одним із прикладів складної системи, яка дозволяє контролювати не тільки рівень, але й інші параметри (кількість, щільність, температуру), є система “Резервуар-2” (рис. 2.59).
Рис. 2.59 – Схема системи контролю рівня “Резервуар-2”
Використання цієї системи дозволяє контролювати ситуацію в ємностях не тільки на місці (оператором), але і передавати її на необмежені відстані, використовуючи GSM-стандарт.
Радіоізотопні рівнеміри. Такі рівнеміри застосовують для виміру рівня рідин і сипучих матеріалів у закритих ємностях. Їх дія базується на поглинанні g -променів при проходженні через прошарок речовини.
Радіоізотопні рівнеміри встановлюються поза апаратом або установкою. Вони не мають безпосереднього контакту з середовищем, параметри якого вимірюються, і це є їх принциповою перевагою в порівнянні з іншими методами.
У радіоізотопному рівнемірі (рис. 2.60) джерело 2 і приймач 10 випромінювання підвішені на сталевих стрічках 3, на яких вони можуть переміщатися у трубах 11 по усій висоті бака 1. Стрічки намотані на барабан 5, що приводиться у рух реверсивним електродвигуном 7.
Якщо вимірювальна система (джерело і приймач g -променів) розташована вище рівня середовища, поглинання випромінювання слабке і від приймача 10 по кабелю 9 на блок керування 8 буде приходити сильний сигнал. За цим сигналом електродвигун 7 одержить команду на спуск вимірювальної системи. При зниженні її нижче рівня середовища поглинання g -променів різко збільшиться, сигнал на виході приймача зменшиться й електродвигун почне піднімати вимірювальну систему.
Таким чином, положення вимірювальної системи буде відслідковувати рівень у ємності (точніше вона буде знаходитися в безупинному коливанні коло рівня, що вимірюється). Це положення у вигляді кута повороту ролика 4 перетворюється вимірювальним пристроєм 6 на уніфікований сигнал – напругу постійного струму U.
Радіоізотопні рівнеміри типу УР-8 можуть вимірювати рівень у ємностях висотою до 10 м.
Аналогічний принцип використаний у радіоізотопному сигналізаторі рівня ГР-8, джерело і приймач випромінювання якого закріплюють зовні ємності на необхідній висоті. При досягненні середовищем цього рівня включається сигнальний пристрій.
Рис. 2.60 – Радіоізотопний рівнемір: 1 – бак; 2 – джерело випромінювання; 3 – сталеві стрічки; 4 – ролик; 5 – барабан; 6 – вимірювальний пристрій; 7 – реверсивний електродвигун; 8 – блок керування; 9 – кабель; 10 – приймач випромінювання; 11 – труби
Електричні реле рівня типу РУ-Э3 (рис 2.61, а) дозволяють контролювати одночасно три рівні середовища – нижній, середній і верхній. На платі 1 монтуються всі три датчики рівня; відстань між рівнями вибирається залежно від місцевих умов. Блок 2 являє собою електричну схему реле.
Електрична схема приладу (рис 2.61, б) включає трансформатор Тр1, випрямляч Д1-Д4, реле сигналізації Р1 і затискачі для підключення датчиків. Датчики – сталеві стрижні з нержавіючої сталі Х18Н9Т – підключаються на затискачі 8, 9, 10 (відповідно нижній, середній і верхній).
Рис. 2.61 – Реле рівня РУ-Э3: а) загальний вигляд: 1 – плата, 2 – блок; б) електронна схема
Ультразвукові й акустичні рівнеміри. Принцип дії рівнемірів цього типу базується на вимірі часу проходження імпульсу ультразвука від випромінювача до поверхні рідини та назад. При прийомі відбитого імпульсу випромінювач стає датчиком. Якщо випромінювач 1 (рис. 2.62) розташований над рідиною, рівнемір називається акустичним; якщо усередині рідини – ультразвуковим. У першому випадку час, який вимірюється, буде тим більше, чим нижче рівень рідини H, у другому – навпаки.
Електронний блок 2 призначений для формування ультразвукових імпульсів, посилення відбитих імпульсів, виміру часу проходження імпульсом подвійного шляху (у повітрі або рідині) і перетворення цього часу в уніфікований електричний сигнал. Наприклад, акустичний рівнемір ЭХО-1 використовується для виміру рівня неоднорідних рідин (із перемінною за висотою щільністю), які кристалізуються і випадають в осад, у баках висотою до 3 м і має вихідний сигнал у виді постійного струму.
Рис. 2.62 – Ультразвуковий і акустичний рівнеміри: 1 – випромінювач; 2 – електронний блок
За принципом дії акустичні рівнеміри можна поділити на локаціонні, поглинання і резонансні.
У локаціонних рівнемірах використовується ефект відбивання ультразвукових коливань від межі розподілу рідина – газ. Положення рівня визначається за часом проходження ультразвукових коливань від джерела до приймача після відбиття їх від поверхні розподілу. У рівнемірах поглинання положення рівня визначається за ослабленням інтенсивності ультразвуку при проходженні через прошарки рідини і газу. У резонансних рівнемірах вимір рівня виконується за допомогою виміру частоти власних коливань стовпа газу над рівнем рідини, яка залежить від рівня рідини.
Найбільшого поширення одержали локаціонні рівнеміри. Локація рівня може виконуватися або через газове середовище над рідиною (такі рівнеміри іноді називають акустичними), або знизу через прошарок рідини (такі рівнеміри іноді називають ультразвуковими). Хибою першого типу рівнемірів є похибка від залежності швидкості ультразвуку від тиску і температури газу і сильне поглинання ультразвуку газом, що потребує більшої потужності джерела, ніж при локації через рідину.
Рис. 2.63 – Схема акустичного рівнеміра ЭХО-1
Проте на показання таких рівнемірів не впливає зміна характеристик рідини, тому такі рівнеміри можуть бути використані для виміру рівня неоднорідних рідин, які містять бульки газу або кристалізуються. Такі рівнеміри використовуються для рідин, які мають температуру не вище 80 °С і тиск нe більше 4 МПа.
Рівнеміри з локацією через рідину можуть бути використані для середовищ під високим тиском, для них потрібна невеличка потужність джерела, проте вони чутливі до “домішок” у рідину, наприклад до бульбашок газу при вскипанні. Тому такі рівнеміри застосовуються для однорідних рідин. Крім того, вони також чутливі до зміни температури і тиску середовища через залежність від них швидкості поширення ультразвуку в рідині. На рис. 2.63 наведена спрощена схема акустичного рівнеміра з локацією рівня з боку газу типу ЭХО-1. Джерелом і одночасно приймачем відбитих ультразвукових коливань є п’єзоелемент, вмонтований в акустичний перетворювач 1. Локація здійснюється ультразвуковими імпульсами, які збуджуються п’єзоелементом, шляхом подачі на нього електричних імпульсів від генератора 2. Одночасно генератор включає схему виміру часу 4. Відбитий ультразвуковий імпульс повертається на п’єзоелемент через час t, який відповідає контрольованому рівню відповідно до виразу:
,
де с – швидкість ультразвуку в газі.
П’єзоелемент перетворює відбитий ультразвуковий імпульс на електричний сигнал, який посилюється підсилювачем 3 і подається на схему виміру часу 4. Перетворювач 5 перетворює значення часу на уніфікований вихідний сигнал 0-5 м, який вимірюється повторним приладом 6.
Для зменшення впливу зміни температури газу є блок температурної компенсації 7, що включає в себе термометр опору, розташований усередині акустичного перетворювача. Рівнемір ЭХО-1 може мати діапазони виміру 0-1, 0-2, 0-3 м; клас точності рівнеміра 2,5.
Принципова схема рівнеміра з локацією через рідину аналогічна поданій на рис. 2.63. Різниця може полягати в іншому засобі температурної компенсації. Основна похибка рівнемірів із локацією через рідину не перевищує 2,5% діапазону виміру рівня.
Прилади даної групи застосовуються за особливо важких умов, наприклад: токсичні або агресивні середовища, високий тиск, висока температура.
Термокондуктометричні рівнеміри. Термокондуктометричними називають рівнеміри, елементом електричного ланцюга яких є резистор, який нагрівається струмом, із великим температурним коефіцієнтом електроопору, електричний опір якого залежить від рівня рідини. Принцип дії таких рівнемірів базується на розходженні умов теплообміну в рідинах і газах.
Чутливий елемент таких рівнемірів являє собою протяжний терморезистор, електричний опір якого визначається його температурою. Звичайно вони виготовляються з платини або вольфраму, причому чутливість перетворювача збільшується із зростанням температурного коефіцієнта електроопору матеріалу. Термокондуктометричний перетворювач поміщається в резервуар таким чином, що частина його знаходиться в рідині, інша частина – у газовому просторі (рис. 2.64). При зміні рівня змінюється довжина цих ділянок.
Рис. 2.64 – Схема термокондуктометричного перетворювача рівня
Принцип дії термокондуктометричного перетворювача полягає у використанні розходження тепловіддачі від нагрітого терморезистора до рідини і газу, унаслідок чого ділянки його, що знаходяться в рідині і газі, мають різноманітну температуру і, отже, різноманітний опір. Таким чином, сумарний їхній опір буде визначатися рівнем.
Пневматичні рівнеміри. Пневматичні рівнеміри знаходять широке застосування для виміру рівня агресивних рідин.
У цьому методі висоту рівня рідини вимірюють так званим способом барботування газу. На рис 2.65 показана схема подібного пристрою для відкритих резервуарів. У рідину, рівень якої слід виміряти, занурюють трубку, у якій через невеличкий дросель безупинно нагнітається стиснуте повітря або захисний газ, наприклад азот. Пневматичний тиск, що встановлюється в заглибленій трубці за дроселем, відповідає гідростатичному тиску над кінцем трубки і є тою самою мірою рівня заповнення резервуара. Діаметр заглибної трубки вибирають рівним 8-15 мм, керуючись насамперед в’язкістю рідини, яка не повинна перевищувати 60 ° Е. Матеріал заглибної трубки повинен бути обраний відповідно до хімічних і фізичних властивостей рідини, рівень якої вимірюється.
Рис. 2.65 – Пневматичний рівнемір для виміру рівня рідини у відкритих резервуарах
Істотною перевагою пневматичних рівнемірів є практична незалежність їхніх показань від температурного режиму сполучних ліній.
Гідростатичні рівнеміри. В цих рівнемірах вимір рівня Н рідини постійної щільності r зводиться до виміру гідростатичного тиску р, утворюваного рідиною:
.
Гідростатичний рівнемір, у якому гідростатичний тиск рідини вимірюється дифманометром, називається дифманометричним.
Гідростатичний рівнемір, у якому гідростатичний тиск рідини перетворюється на тиск повітря, називається пневморівнеміром.
Дифманометричні рівнеміри. Схема підключення дифманометра до відкритого резервуара, який перебуває під атмосферним тиском, зображена на рис. 2.66.
Рис. 2.66 – Схема підключення дифманометра при вимірі рівня у відкритому резервуарі
Обидві імпульсні трубки дифманометра заповнюються контрольованою рідиною (якщо вона не агресивна). Дифманометр вимірює різницю тисків p1 і p2.
Інші методи виміру рівня – термічні, акустичні, оптичні й інші – мають поки що дуже обмежене застосування.