Общие сведения об измерении уровня.
Классификация средств измерения уровня
Уровнем называют высоту заполнения технологического объекта
(емкости, резервуара, аппарата) рабочей средой — жидкостью или
сыпучим веществом. Информация об уровне является ключевой для
организации контроля и управления технологическими процессами
при добыче, транспорте и переработке нефтепродуктов. Уровень из-
меряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют
уровнемерами.
По принципу действия уровнемеры можно подразделить на сле-
дующие группы:
• визуальные;
• поплавковые, которые основаны на определении положения
поплавка, находящегося на поверхности жидкости или на границе
двух сред;
• буйковые, которые основаны на измерении выталкивающей
силы, действующей на массивное тело (буек), частично погруженное
в жидкость;
• гидростатические, основанные на измерении гидростатическо-
го давления столба жидкости;
• электрические, в которых используется зависимость измеряе-
мого уровня от электрических параметров рабочей среды (диэлектри-
ческая проницаемость, проводимость);
• акустические, основанные на принципе отражения от поверх-
ности жидкости звуковых волн;
• радарные, основанные на принципе отражения от поверхности
сигнала сверхвысокой частоты (СВЧ);
• радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности
потока ядерных излучений, зависящего от уровня жидкости.
Акустические и радарные уровнемеры относятся к бесконтактно-
му, а остальные — к контактному типу.
Приведенная классификация является общепринятой и охваты-
вает широко распространенные уровнемеры. Существуют уровнеме-
ры, в которых используется комбинация нескольких принципов
действия.
СИ уровня делятся также на приборы для непрерывного слежения
за уровнем (собственно уровнемеры) и приборы для сигнализации
о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня). По диапа-
зону измерения различают уровнемеры широкого (0... 20) м и узко-
го (0 ± 0,5) м диапазонов.
Уровнемеры непрерывного действия
Визуальные уровнемеры
К визуальным уровнемерам относятся мерные рейки, рулетки,
уровнемерные стекла и т.д. Наиболее распространенными уровне-
мерами данного вида являются уровнемерные стекла, действующие
по закону сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяется
с емкостью нижним концом (для открытых сосудов) или обоими
концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением).
Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке,
можно судить об изменении уровня в емкости. Указательные стекла
снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и
продувки системы. Из-за низкой прочности указательные стекла не
рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контро-
ле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают не-
сколько стекол так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ
последующего.
Указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и тем-
пературу до 300 "С. Абсолютная погрешность измерения уровня с
помощью уровнемерных стекол составляет ± (1...2) мм.
Поплавковые уровнемеры
Поплавковые м е х а н и ч е с к и е уровнемеры являются наиболее
простыми среди существующих разновидностей уровнемеров. Полу-
чили распространение поплавковые уровнемеры узкого (0 ± 200) мм
и широкого (0...20) м диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого
диапазона обычно представляют собой устройства, содержащие ша-
рообразный или цилиндрический поплавок диаметром 80...200 мм,
выполненный из нержавеющей стали или полипропилена. Поплавок
плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное
сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измеритель-
ного прибора, либо с преобразователем угловых перемещений в
унифицированный электрический или пневматический сигнал. Класс
точности этих уровнемеров составляет 1.5. Поплавковые уровнемеры
широкого диапазона представляют собой поплавок, связанный с
грузом гибким тросом. В нижней части груза укреплена стрелка,
указывающая на шкале значения уровня жидкости в резервуаре. При
расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные
параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия
системы «поплавок—груз» только при определенной глубине погру-
жения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в
роликах, состояние равновесия системы «поплавок—груз» описыва-
ется уравнением
где Gr, Gu — силы тяжести груза и поплавка соответственно; S — пло-
щадь поперечного сечения поплавка; h1, — глубина погружения по-
плавка; рж — плотность жидкости.
Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения по-
плавка и создает дополнительную выталкивающую силу, действую-
щую на нее. В результате приведенное выше равенство нарушается,
и груз поднимается до тех пор, пока глубина погружения поплавка не
станет равной А,. При понижении уровня действующая на поплавок
выталкивающая сила уменьшается, и поплавок начинает опускаться
до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной /г,.
Абсолютная погрешность измерения выпускаемых уровнемеров со-
ставляет ± 4 и ±10 мм.
В поплавковых м а г н и т о с т р и к ц и о н н ы х уровнемерах
(рис. 4.1) для определения положения поплавка используется магни-
тострикционный эффект. Направляющая труба 1 содержит в себе
волновод 2 (тонкая проволока из никелевого сплава), по которому
через фиксированные промежутки времени распространяются ко-
роткие импульсы тока. При распространении импульса тока возни-
кает радиальное магнитное поле вокруг волновода. Поплавок 3 с по-
стоянным магнитом 4 перемещается вместе с изменением уровня по
трубе. При пересечении магнитного поля токового импульса с маг-
нитным полем постоянного магнита в месте нахождения поплавка в
волноводе возникает крутильная деформация (магнитострикционный
эффект), которая в виде механической (ультразвуковой) волны рас-
пространяется вдоль волновода с известной скоростью в оба конца.
Пьезоэлемент, размещенный в корпусе 5 вторичного преобразовате-
ля, преобразует полученные механические волны в электрический
импульс. С помощью микропроцессорной электроники измеряется
интервал времени между отправленным и принятым импульсами,
который пропорционален измеряемому уровню.
Буйковые уровнемеры
Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на
погруженное в жидкость тело действует со стороны жидкости вы-
талкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна массе жидко-
сти, вытесненной телом. Количество вытесненной жидкости зависит
от глубины погружения тела, т.е. от уровня жидкости в емкости.
Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень пре-
образуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Чувстви-
тельным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический
буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности
жидкости. Зачастую буек выполнен в виде трубы из нержавеющей
стали, запаянной с обеих концов, к одному из которых приделан
крючок. Буек находится в вертикальном положении и частично по-
гружен в жидкость.
Длина буйка подбирается приближенной к максимальному из-
меряемому уровню в аппарате.
При изменении уровня жидкости в аппарате согласно закону Ар-
химеда выталкивающая сила, действующая на буек, равна
где рж — плотность измеряемой жидкости; g — ускорение свободно-
го падения; V— объем вытесненной буйком жидкости; S— площадь
поперечного сечения буйка; h — длина буйка, погруженного в жид-
кость.
Выталкивающее усилие измеряется различными способами — на-
пример, во вторичном измерительном преобразователе с помощью
тензоэлемента преобразуется в сопротивление, а затем в унифици-
рованный сигнал, например в ток.
Минимальный диапазон измерений буйковых уровнемеров со-
ставляет (0...0,02) м, максимальный — (0... 16) м. Буйковые уровне-
меры применяются при температуре рабочей среды от - 40 до +400 °С
и давлении до 16 МПа. Основная приведенная погрешность буйковых
уровнемеров лежит в пределах 0,5... 1,5 %.
Гидростатические уровнемеры
Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к
измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом
жидкости h постоянной плотности р, согласно равенству
P=pgh.
Измерение гидростатического давления может осуществляться не-
сколькими способами. Самый простой из них — измерение уровня
манометром (М), подключаемым на высоте, соответствующей нижне-
му предельному значению уровня. Применяемый для этих целей ма-
нометр может быть любого типа с соответствующими пределами из-
мерений.
Измерение гидростатического давления таким методом целесо-
образно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении.
В противном случае показания М будут складываться из гидроста-
тического и избыточного давлений. Для измерения уровня жидкости
в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое
применение получили дифференциальные манометры, подключае-
мые к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному
значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью. С по-
мощью дифманометров возможно также измерение уровня жидкости
в открытых резервуарах и уровня раздела жидкостей.
Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жид-
костей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они
позволяют производить измерения в диапазоне до 250 кПа, что соот-
ветствует уровню 25 м (для воды), с точностью до 0,1 % при избыточ-
ном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды в диапазоне
-40... + 120 "С. Важным достоинством гидростатических уровнемеров
является высокая точность при относительной дешевизне и простоте
конструкции. Существенным недостатком является большая погреш-
ность от изменения температуры контролируемой среды.
Емкостные уровнемеры
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимо-
сти электрической емкости чувствительного элемента от уровня
жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы вы-
полняются в виде коаксиально расположенных цилиндрических
электродов или параллельно расположенных плоских электродов.
Для неэлектропроводных жидкостей применяется уровнемер,
схема которого показана на рис. 4.2. В этом уровнемере чувствитель-
ный элемент состоит из двух коаксиально расположенных электродов
/ и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют ци-
линдрический конденсатор, межэлектродное пространство которого
до высоты h заполнено жидкостью, а пространство Н—h — парога-
зовой смесью. В общем виде электрическая емкость цилиндрическо-
го конденсатора определяется уравнением
где в — относительная диэлектрическая проницаемость вещества,
заполняющего межэлектродное пространство; ε0 — электрическая
постоянная; Н — высота электродов; D, d — диаметры наружного и
внутреннего электродов соответственно.
Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное простран-
ство которого заполняется веществами, обладающими различными
диэлектрическими проницаемостями, полная емкость Сп определя-
ется выражением
Сп = С0+ С1 + C2,
где С0 — емкость проходного изолятора; С, — емкость межэлектрод-
ного пространства, заполненного жидкостью; С2 — емкость межэлек-
тродного пространства, заполненного парогазовой смесью.
Таким образом, полная емкость чувствительного элемента будет
равна
Таким образом, емкость чувствительного элемента пропорцио-
нальна уровню жидкости. Для измерения уровня электропроводных
жидкостей электроды конденсатора покрывают фторопластовой изо-
ляцией.
Преобразование электрической емкости в сигнал измерительной
информации осуществляется импульсными методами. В основе им-
пульсных методов лежат переходные процессы в У?С-цепи, периоди-
чески подключаемой к источнику питания. Используются также
неуравновешенные мосты переменного тока, в одно из плеч которо-
го включается емкость первичного преобразователя.
Условия применения емкостных уровнемеров по характеристикам
рабочей среды: температура -40... + 200 "С, давление — до 2,5 МПа,
диапазон измерения — до 3 м (30 м — для гибких и тросовых чув-
ствительных элементов). Основная приведенная погрешность ем-
костных уровнемеров лежит в пределах от 1 до 3 %.
Емкостные уровнемеры чаще применяют для измерения уровня
чистых, однородных и неэлектропроводных жидкостей (бензин, ке-
росин). Это связано с тем, что такие факторы, как загрязнение
электродов, изменение диэлектрических свойств и электрической
проводимости измеряемой среды, приводят к недопустимой погреш-
ности измерений.
Акустические уровнемеры
В акустических уровнемерах (рис. 4.3) уровень определяют по
времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до
границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Функ-
ции источника и приемника ультразвуковых колебаний выполняет
пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает
электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом в
ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространя-
ются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды
и воспринимаются тем же пьезоэлементом. Уровень вещества h
определяется из выражения
где Н — высота резервуара; с — скорость распространения ультра-
звука в данной среде; / — время прохождения ультразвуком расстоя-
ния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до при-
емника излучения.
Преимуществом акустических уровнемеров является независи-
мость их показаний от физико-химических свойств и состава рабо-
чей среды. К недостаткам следует отнести влияние на показания
уровнемеров температуры, давления и состава газа, от которых за-
висит скорость звуковых волн. Скорость распространения ультра-
звука зависит от температуры — изменение составляет около 0,18 %
на 1 °С. Для устранения этого влияния в ультразвуковых уровнемерах
применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодат-
чика.
Диапазон работы акустических уровнемеров — до 25 м. Основная
приведенная погрешность измерений составляет 1 ... 2 %. Температур-
ный диапазон рабочей среды -30... + 120 "С, давление — до 4 МПа.
Радарные уровнемеры
Радарные уровнемеры — наиболее сложные и высокотехнологич-
ные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и
определения расстояния до объекта контроля здесь используется
электромагнитное излучение СВЧ-диапазона. Обычно рабочая ча-
стота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до
26 ГГц. Чем выше частота, тем уже луч и тем выше энергия излучения,
а следовательно, сильнее отражение.
В настоящее время в радарных системах контроля уровня при-
меняются преимущественно две технологии: с непрерывным частот-
но-модулированным излучением (FMCW — frequency modulated
continuous wave) и импульсным излучением сигнала.
Принцип действия уровнемера с частотно-модулированным
сигналом заключается в следующем (рис. 4.4, а). Микроволновый
генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого
изменяется во времени по линейному закону — линейный частотно-
модулированный сигнал. Этот сигнал излучается в направлении
продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное
время ∆t, зависящее от скорости света и расстояния до продукта,
возвращается обратно в антенну Излученный и отраженный сигналы
смешиваются в антенне уровнемера, и в результате образуется сигнал,
частота которого равна разности частот излученного и принятого
сигналов ДГи, соответственно, расстоянию от антенны до измеряе-
мого продукта (рис. 4.4, в). Дальнейшая обработка сигнала осуществ-
ляется микропроцессорной системой датчика уровня уровнемера и
заключается в точном определении разностной частоты ∆f сигнала и
пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара.
В радарных уровнемерах импульсного типа используется метод
определения расстояния, основанный на непосредственном измере-
нии времени прохождения СВЧ-импульса от излучателя до контро-
лируемой поверхности и обратно. Радарные уровнемеры импульсно-
го типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, исполь-
зующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы
вне зависимости от природы их источника разнесены во времени,
что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее
энергопотребление импульсных уровнемеров составляет единицы
мкВт (пиковая мощность при излучении СВЧ-импульса составляет
около 1 мВт), что позволяет использовать для их подключения двух-
проводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным
токовым сигналом 4... 20 мА; в приборах, работающих по технологии
FMCW, энергопотребление существенно выше из-за непрерывного
характера излучения, а также постоянно выполняемой математиче-
ской обработки эхо-сигнала. И в-третьих, в импульсных уровнемерах
электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще,
а сама обработка выполняется исключительно аппаратными сред-
ствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих на-
дежность прибора получается потенциально выше.
Радарные уровнемеры — наиболее универсальные средства изме-
рения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой
средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднород-
ных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных
уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность
к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а
также большая устойчивость к таким явлениям, как запыленность,
испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радар-
ные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до 1 мм), что по-
зволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем
существенным сдерживающим фактором применения радарных уров-
немеров остается высокая стоимость данных приборов.
Диапазон измерения радарных уровнемеров достигает 40 м при
спокойной поверхности контролируемой жидкости. Абсолютная по-
грешность измерения уровня может составлять ± 1 мм в диапазоне
до 30 м.