Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Метрология и автоматизация

Измерение расстояния

Измерение расстояния

Расстояние, в широком смысле, степень удалённости объектов друг от друга.

3. Уравнемер

Непрерывные технологические процессы в различных отраслях промышленности часто требуют постоянного автоматического контроля количества накопленного материала, сырья, жидкости и газа.

Уровнемер – это прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых резервуарах и хранилищах. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе газообразующие, сыпучие и другие материалы. С помощью таких приборов осуществляется автоматический контроль и регулирование уровней жидкостных и сыпучих материалов, а также звуковая и световая сигнализация повышения или понижения уровня контролируемой среды. Уровнемеры могут применяться как самостоятельные устройства, так и в составе системы автоматического управления и/или контроля.

Уровнемеры иногда называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Тем не менее, главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня – возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения. В промышленном производстве в настоящее время существует ряд разнообразных технических средств, позволяющих решить задачу измерения и контроля уровня.

По принципу действия уровнемеры для жидкостей и сыпучих веществ разделяются на:

  • механические (поплавковые, буйковые) – для измерения уровня используется поплавок, находящийся на поверхности жидкости или массивное тело (буёк), частично погружаемое в жидкость;
  • гидростатические – основанные на измерении гидростатического давления столба жидкости;
  • электрические – величины электрических параметров зависят от уровня жидкости;
  • акустические (ультразвуковые) – основаны на принципе отражения от поверхности звуковых волн;
  • микроволновые (радарные, волноводные) – основанные на принципе отражения поверхности сигнала высокой частоты (СВЧ);
  • радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости

Механические уровнемеры

Механические уровнемеры бывают:

  • поплавковые, с чувствительным элементом (поплавком), плавающим на поверхности жидкости;
  • буйковые, действие которых основано на измерении выталкивающей силы, действующей на буёк.

Перемещение поплавка или буйка через механические связи или систему дистанционной (электрической или пневматической) передачи сообщается измерительной системе прибора.

Поплавковые датчики уровня являются самым простым и недорогим решением для детектирования предельного уровня жидкостей. Вместе с тем, они являются надежным решением и, при правильном выборе, могут использоваться для сигнализации уровня разных жидких сред от агрессивных жидкостей, до обычной воды.

Емкости с поплавковыми сигнализаторами уровня
Емкости с поплавковыми сигнализаторами уровня.

Для правильного выбора поплавкового сигнализатора уровня следует учитывать особенности измеряемой жидкости и параметры окружающей среды, ведь температурный режим, пена, завихрения (от работающего миксера) и т.д. могут стать проблемой для одних поплавковых датчиков и не оказывать влияние на другой тип поплавковых датчиков уровня.

Емкость с поплавковым магнитным уровнемером
Емкость с поплавковым магнитным уровнемером.

Уровнемер поплавковый предназначен для выдачи электрического дискретного сигнала об уровне жидкости и уровне раздела двух несмешивающихся жидкостей в аппаратах и резервуарах технологических установок. В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала.

Для передачи информации от чувствительного элемента (поплавка) используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Изменение сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, что дает помимо визуального контроля возможность дистанционной передачи показаний и включения в систему автоматизации.

Среди поплавковых уровнемеров различают:

  • сигнализаторы из полипропилена,
  • магнитные сигнализаторы уровня,
  • магнитострикционные уровнемеры
  • герконовые уровнемеры.

Поплавковые сигнализаторы из полипропилена. Поплавковые сигнализаторы уровня из полипропилена состоят из корпуса поплавка со встроенным микровыключателем и присоединительного кабеля. Процесс переключения запускается качанием датчика, когда он отклоняется от горизонтального положения в любом направлении. Угол срабатывания составляет от ±3 до ±18° относительно горизонтальной плоскости.

В качестве поплавков применяют преимущественно полые шаровидные или сфероцилиндрические тела, выполненные из полипропилена, устойчивого к воздействию неконцентрированных кислот и щелочей, большинства растворителей, cпирта, бензина, воды, консистентных смазок и масел. В качестве коммутационных устройств часто применяются жидкометаллические микровыключатели, в которых в настоящее время вместо ртути используется галинстан.

Поплавковый сигнализатор уровня из полипропилена шаровидной формы
Поплавковый сигнализатор уровня из полипропилена шаровидной формы.

Магнитный сигнализатор уровня. Магнитный сигнализатор уровня состоит из плавучего тела (поплавка), который закреплен на подвижном рычаге и имеет магнитную связь с установленным снаружи микровылючателем.

Поплавковый сигнализатор уровня магнитный
Поплавковый сигнализатор уровня магнитный.

Магнитострикционные уровнемеры. Магнитострикционные уровнемеры изготавливаются с одним или несколькими поплавками. Вариант с двумя поплавками применяется для измерения уровней раздела фаз двух жидкостей с разными плотностями. Направляющая труба может быть жесткой или гибкой. Вариант с гибкой измерительной направляющей предпочтительнее для больших резервуаров, так как это значительно упрощает транспортировку и монтаж прибора.

Магнитные поплавковые многоточечные герконовые уровнемеры
Магнитные поплавковые многоточечные герконовые уровнемеры.

У магнитострикционных уровнемеров направляющий поплавок стержень содержит волновод, заключенный в катушку, по которой через фиксированные промежутки времени подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации (торсионные), распространяющиеся от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов они полностью гасятся, а на другом конце волновода принимаются преобразователем торсионного импульса. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы.

Принцип действия магнитострикционных уровнемеров
Принцип действия магнитострикционных уровнемеров.

Герконовые уровнемеры. Герконовые уровнемеры, содержат в теле направляющего стержня цепочку герконов, замыкаемых движущимся магнитом. На аналогичном принципе основаны относительные уровнемеры, в конструкции которых использовано несколько герконовых групп. По-очередное срабатывание при достижении уровня каждого поплавка позволяет определять относительную степень заполненности резервуара. При срабатывании нижнего контакта определяется минимально допустимый уровень жидкости в резервуаре, при срабатывании верхнего – максимальный уровень.

Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокая точность измерений (± 1…5 мм). Достаточно широка область применения этого метода. Температура рабочей среды – –40…120 °С, избыточное давление – до 2 МПа, для преобразователей с гибким ЧЭ – до 0.16 МПа. Плотность среды – 0.5..1.5 г/см3. Диапазон измерений – до 25 м. Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах в процессе коммерческого учета.

Принцип действия герконовых уровнемеров
Принцип действия герконовых уровнемеров.

Метод явно неприменим только в вязких средах, образующих налипание, отложение осадка на поплавок, а также коррозию поплавка и конструкции чувствительного элемента (ЧЭ).

Уровнемеры буйковые предназначены для работы в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров производственных технологических процессов с целью выдачи информации в виде стандартного пневматического сигнала об уровне жидкости или границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, находящихся под вакуумметрическим, атмосферным или избыточным давлением. В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в жидкость буек. Масса буйка выбирается так, чтобы он не всплывал при полном его погружении в жидкость. Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей, незаменимы при работе с высокими давлениями и температурами продукта. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, то есть от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая сопло. Зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная.

Механический уровнемер буйкового типа
Механический уровнемер буйкового типа.

Для индуктивных преобразователей изменение уровня жидкости, в которую погружен буек, находящийся под действием корректирующей пружины, вызывает вертикальное перемещение сердечника внутри линейно регулируемого дифференциального трансформатора.

Принцип действия буйкового уровнемера с индуктивным преобразователем
Принцип действия буйкового уровнемера с индуктивным преобразователем.

Изолирующая трубка служит в качестве неподвижной преграды, отделяющей ЛРДТ от контролируемой среды. При изменении положения сердечника вместе с уровнем жидкости, во вторичной обмотке ЛРДТ наводится ЭДС. Эти сигналы обрабатываются электроникой и используются для управления током 4…20 мА в выходной токовой петле.

Гидростатические уровнемеры

Гидростатический метод измерения уровня основан на измерении гидростатического давления столба жидкости по формуле $P = ρ·g·h$, где $P$ – давление, $ρ$ – плотность, $g$ – ускорение свободного падения, $h$ – высота столба жидкости, не зависящее от формы и объема резервуара.

Гидростатические датчики давления (уровня) применяются для измерения уровня любых жидкостей, начиная от воды и заканчивая пастами, в резервуарах, скважинах, колодцах. Гидростатические уровнемеры дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за условий применения (монтаж на днище резервуара, требуется постоянная плотность измеряемого объекта, только для спокойных объектов/процессов). Постоянный контакт с измеряемым объектом так же накладывает свои ограничения.

Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: колокольные (погружные) и мембранные (врезные).

Гидростатические уровнемеры
Гидростатические уровнемеры.

Гидростатические уровнемеры погружного типа, у которых непосредственно измерительная ячейка давления опускается сверху на штыре или специальном кабеле, применяются в каналах, заглубленных резервуарах, скважинах, колодцах и т. п. Датчики врезного типа предназначены для монтажа в нижней части емкости. Такой способ монтажа возможен только для емкостей расположенных на поверхности, то есть когда есть доступ к нижней части резервуара. Выносные разделительные мембраны предназначены для измерения расхода, давления и уровня в сложных условиях, таких как критические температуры и агрессивные среды.

Выносные разделительные мембраны
Выносные разделительные мембраны.

Гидростатические уровнемеры позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25-и метрам, с точностью до 0.1 % при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды –40...+120 °С.

Принцип действия основан на преобразовании деформации упругого чувствительного элемента под воздействием гидростатического давления (столба жидкости над чувствительным элементом) в аналоговый токовый сигнал. В случае врезного исполнения тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной, и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение мембраны соответствует минимальному уровню.

В случае колокольного датчика упругий чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор, через столб воздуха, запаянный в подводящей трубке. В качестве чувствительного элемента используется тензорезисторы, соединенные с мембраной тензопреобразователя. Гидростатические уровнемеры – датчики избыточного давления, поэтому необходима связь сенсора с атмосферой. У датчиков избыточного давления измеряемая среда и атмосферное давление в баке действуют с одной стороны чувствительного элемента, и только атмосферное давление – с другой. Для открытых ёмкостей атмосферное давление в баке компенсируется атмосферным давлением вне его, и датчик измеряет только давление среды.

Для полностью закрытых емкостей, где создаётся избыточное давление между крышкой емкости и жидкостью, наиболее оптимальным будет применение гидростатических датчиков дифференциального давления. В этом случае, с помощью специального капилляра необходимо связывать датчик дифференциального давления с областью избыточного давления емкости.

Резервуары с врезным и погружным гидростатическими датчиками уровня
Резервуары с врезным и погружным гидростатическими датчиками уровня.

При монтаже гидростатических уровнемеров, чтобы избежать влияния повышенного давления при закачивании жидкости, так как струя насоса может создавать область повышенного давления, датчики надо устанавливать на максимальном удалении от источника турбулентности.

Электрические уровнемеры

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками; газы же, находящиеся в нежидкостном пространстве, всегда диэлектрики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков – относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами. В зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя «реагирует» на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на такие виды: емкостные, кондуктометрические и вибрационные.

Уровнемер емкостный обеспечивает измерение текущего уровня и сигнализацию двух перестраиваемых предельных уровней воды, молока, пива, щелочи, кислот, нефти и нефтепродуктов, зерна и продуктов его размола, сахара, цемента, песка, извести, а также других жидких и сыпучих сред, в том числе в емкостях, находящихся под избыточным давлением. Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Емкостные датчики уровня
Емкостные датчики уровня.

Емкостной метод обеспечивает хорошую точность порядка 1.5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый – среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе (ЧЭ). Емкостные датчики широко распространены и используются для определения наличия рабочей среды: как жидкой, так и сыпучей (порошки, цемент, гранулированные продукты), как электропроводной, так и неэлектропроводной. Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является – однородность среды, среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения ЧЭ. Условия применения емкостных датчиков по характеристикам рабочей среды: температура –40…+200 °С, давление – до 2.5 МПа, диапазон измерения – до 3 м (30 м – для гибких и тросовых ЧЭ).

Пример установки емкостного уровнемера
Пример установки емкостного уровнемера.

Некоторые емкостные датчики обеспечивают считывание через стенку неметаллического резервуара, что позволяет определять положение уровня без проникновения в резервуар или без контакта с продуктом. Датчик можно установить на плоской стенке резервуара или навить вокруг неметаллической трубы.

ЧЭ емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае проводящей жидкости ЧЭ покрывается изолятором, обычно фторопластом. Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Когда зонд находится в воздухе, измеряется некоторая низкая начальная емкость $С_А$ . Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости ЧЭ до значения $С_Е$, преобразуемой в выходной электрический сигнал постоянного тока 4–20 мА.

Принцип действия емкостного уровнемера
Принцип действия емкостного уровнемера.

Емкостные датчики отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений для конкретных применений, могут быть стержневого, трубчатого типов, гибкие, тросовые и т. п. При выборе типа датчика должны учитываться в первую очередь, как состав контролируемой среды, так и ее диэлектрические свойства. Для датчиков, работающих в проводящей среде, необходимо выбирать конструкцию с изолированным электродом.

Кондуктометрические датчики уровня применяют для контроля одного или нескольких предельных уровней жидкости, проводящей электрический ток. Действие кондуктометрического (омического) уровнемера основано на измерении сопротивления между электродами, помещенными в измеряемую среду. Кондуктометрические уровнемеры (уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (более 0.2 См/м): растворы щелочей и кислот, расплавленные металлы, вода, водные растворы солей, молоко и сыпучие материалы с удельной проводимостью более 1 мкС/см. Датчики уровня кондуктометрические бывают как одностержневыми (одноэлектродные), так и многостержневыми (многоэлектродными) для контроля нескольких уровней жидкости. Многостержневые кондуктометрические датчики уровня могут иметь от 1 до5 электродов различной длины.

Кондуктометрический датчики уровня 5-истержневой
Кондуктометрический датчики уровня 5-истержневой.

Применимость кондуктометрических датчиков по условиям давления и температуры рабочего процесса в емкости находится в пределах 350 °С и 6.3 МПа (как правило для стандартных исполнений 200 °С и 2.5 МПа) и определяется материалом изолятора электрода. Ограничения на применение данного типа датчиков могут накладывать такие свойства рабочей среды как сильное парение рабочей среды, сильное вспенивание, образование проводящих отложений на изоляторе или изолирующих отложений на чувствительном элементе.

Первичный преобразователь кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уровня, причем одним из электродов может быть стенка резервуара или аппарата. В зависимости от уровня измеряется сопротивление между электродами. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. При измерении уровня «сверхпроводящих» жидкостей (например, жидких металлов) возможно применение кондуктометрических уровнемеров с одним электродом, роль второго электрода при этом выполняет заземленный сосуд.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров – непостоянство площадей поперечных сечений электродов и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов, а также образование на электродах пленки (окисла или соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности датчика. Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов. Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов измерения уровня (даже при использовании различных компенсационных схем) достаточно высоки (до 10 %), поэтому они находят преимущественное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жидкостей.

Вибрационные датчики уровня используются в качестве надежных сигнализаторов уровня жидких и сыпучих веществ различной плотности и вязкости в широком диапазоне давлений и температур. Модульная конструкция приборов позволяет использовать их в емкостях, резервуарах и трубопроводах. Благодаря универсальной и простой измерительной системе, сигнализатор уровня практически не критичен к химическим и физическим свойствам жидкости. Он работает даже при неблагоприятных условиях, таких как турбулентность, пузырьки воздуха. Вибрационные сигнализаторы уровня способны измерять уровень почти всех жидкостей. Вибрирующий элемент приводится в действие пьезоэлектрическим методом и вибрирует с механической резонансной частотой приблизительно 1200…1300 Гц. Пьезоэлементы закреплены механически и не подвергаются воздействию теплового удара. При погружении вибрирующего элемента в измеряемую среду частота изменяется. Это изменение частоты улавливается встроенным генератором и преобразуется в команду на переключение.

Вибрационный сигнализатор уровня для сыпучих веществ
Вибрационный сигнализатор уровня для сыпучих веществ.

Вибрационные уровнемеры, как правило, компактны и могут работать без внешней обработки сигнала, имеют встроенный блок электроники, который обрабатывает сигнал уровня и преобразует его (в зависимости от типа встроенного генератора) в соответствующий выходной сигнал. При помощи этого выходного сигнала можно работать с подключенными дополнительными устройствами напрямую (например, системой предупреждающей сигнализации, ПЛК, насосами и т. д.).

Диапазон применимости датчиков по температуре –50…+250 °С, давлению – до 64 атм., плотность рабочей среды – в пределах 0.5…2.5 г/смі. Датчики обеспечивают точность срабатывания ±1 мм. Помимо предельных выключателей уровня, характерно применение вибрационных сигнализаторов в качестве датчиков сухого хода в трубопроводах. Вибрационные сигнализаторы выпускаются в широком диапазоне исполнений, в том числе для пищевых производств, взрывоопасных условий, агрессивных сред.

Достоинством вибрационных датчиков уровня является невосприимчивость к размерам частиц, плотности и влажности среды, к влиянию электрических и магнитных полей. Вибрационный датчик уровня сохраняет работоспособность даже при значительном налипании контролируемого материала на рабочие поверхности пластин резонатора. На показания вибрационных датчиков уровня не влияет наличие пены, пузырьков, взвешенных частиц в измеряемой среде. Вибрационные уровнемеры – это лучшее решение для липких сред.

Принцип действия датчика – вибрационный, основанный на различии резонансных колебаний чувствительного элемента – камертонного резонатора в газовой (воздушной) среде и в жидкости (сыпучем материале). Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создает колебания чувствительной вибрационной вилки с частотой ~1300 Гц. Изменения этой частоты колебаний камертонного резонатора в свободном и задемпфированном материалом состоянии отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость или сыпучий продукт частота колебания вилки уменьшаются, что приводит к переключению контактов сигнализатора. Аналогично при снижении уровня жидкости или сыпучего продукта вилка переходит в состояние «сухой контакт», при этом частота колебаний вилки увеличивается, что приводит к обратному переключению контактов. Сигнал об изменении состояния контактов подается в систему управления или на исполнительные механизмы (насосы, клапаны и т. п.).

Акустические (ультразвуковые) уровнемеры

Ультразвуковые уровнемеры имеют много преимуществ перед другими видами – они обладают хорошей точностью измерения, не портятся при использовании и имеют низкую стоимость. Именно эти качества значительно повысили популярность ультразвуковых уровнемеров, которые используют в тех системах, где поплавковые и буйковые уровнемеры применять невозможно.

Ультразвуковой уровнемер
Ультразвуковой уровнемер.

В акустических, или ультразвуковых, уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Как правило, наиболее распространен вариант установки ультразвукового датчика в верхней части емкости. При этом сигнал проходит через воздушную среду, отражаясь от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим. Существует, также, вариант установки датчика в дно емкости.

Принцип действия ультразвукового уровнемера
Принцип действия ультразвукового уровнемера.

Сигнал в этом случае отражается от границы с менее плотной средой. Такой датчик называется – ультразвуковым уровнемером. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором – наоборот. Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. Уровнемеры ультразвуковые предназначены для контроля одного уровня, для контроля двух уровней, или для контроля двух уровней в одном технологическом проеме. Уровнемер акустический предназначен для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе взрывоопасных, агрессивных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов с диаметром гранул и кусков от 5 до 300 мм, при температуре контролируемой среды от минус 30 °С до плюс 250 °С и давлении – до 4 МПа, сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихся жидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучих продуктов. Диапазон работы ультразвуковых уровнемеров – до 25 м. Скорость распространения ультразвука зависит от температуры – около 0.18 % на 1 °С. Для устранения этого влияния в ультразвуковых уровнемерах применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Также для получения точных результатов измерения жидкость должна быть равномерной по составу и иметь одинаковую температуру. В ней также не должно быть пузырьков газа.

Ультразвуковые уровнемеры позволяют достигать погрешности измерения уровня в 1 %. Вместе с тем, они существенно дешевле радарных микроволновых уровнемеров. Ультразвуковые уровнемеры часто используются для измерения расхода в профилированных каналах. Ультразвуковые бесконтактные уровнемеры осуществляют зондирование рабочей зоны волнами ультразвука, т. е. волнами давления с частотой свыше 20 кГц. Они используют свойство ультразвуковых волн отражаться при прохождении границы двух сред с различными физическими свойствами. Поэтому, чувствительный элемент ультразвукового уровнемера состоит из излучателя и приемника колебаний, которые, как правило, конструктивно совмещены и представляют собой кварцевую пластину. При подаче на пластину переменного напряжения возникают деформации пластины, передающие колебания воздушной среде. Пода ча напряжения производиться импульсами и по завершении передачи, пластина превращается в приемник отраженных ультразвуковых колебаний, вызывающих колебания пластины и, как следствие, появление выходного напряжения (обратный пьезоэффект). Расстояние до границы раздела двух сред вычисляется по формуле: $H=c·t/2$, где $c$ – скорость ультразвуковых волн в данной среде, $t$ – время между началом излучения и приходом отраженного сигнала, определяемое электронным блоком уровнемера.

Микроволновые радарные уровнемеры

Радарные уровнемеры – наиболее универсальные средства измерения уровня и подобно акустическим уровнемерам, используют явление отражения электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ.

Емкость с микроволновым радарным уровнемером
Емкость с микроволновым радарным уровнемером.

Радарные датчики уровня не имеют контакта с измеряемым объектом. Это позволяет использовать их в сложных условия, в частности, при высоком давлении, высоких температурах, при нахождении паров и газов над поверхностью. Также они могут применяться для измерения уровня агрессивных, вязких, неоднородных 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. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до ± 1 мм.), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Современные радарные уровнемеры являются «интеллектуальными» устройствами, объединяющими в себе и измерительную часть, и обработку полученного сигнала. Часто представляют собой интерфейсные устройства. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.

Радарный уровнемер
Радарный уровнемер.

Датчик уровня построен по принципу радиолокатора. Это один из классических методов радарного (радиолокационного) измерения расстояния позволяющий минимизировать влияние паразитных помех и помех, связанных с неровностями (волнениями) поверхности измеряемого объекта. В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и частотно модулированные ЛЧМ, в иностранной транскрипции – FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Микроволновый генератор датчика уровня FMCW формирует ра диосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону. Этот сигнал излучается в направлении измеряемого объекта (поверхность среды), отражается от него и часть сигнала, через определенное время, зависящее от скорости света и расстояния до поверхности продукта, возвращается обратно в антенну. Излученный и отраженный сигнал смешиваются в датчике уровня, и в результате образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала $\Delta f = f_0 - f_1$, соответственно пропорциональна времени распространения $\Delta t$, и соответственно расстоянию от антенны до измеряемого объекта $L$.

Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня и заключается в точном определении частоты результирующего сигнала и пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара. Обработка сигнала в датчиках уровня, как правило, построена с применением процессоров цифровой обработки сигналов и благодаря этому, она производится в реальном масштабе времени без длительного накопления информации.

Отраженный, а значит и результирующий сигнал, несущий в себе информацию об уровне измеряемого объекта, содержит также и различные шумовые и паразитные составляющие, это связано с тем, что измерение производится в реальных условиях возможных волнений поверхности измеряемого продукта, неполных отражений радиосигнала и его частичного поглощения поверхностью измеряемого продукта, загрязнением антенны уровнемера. Поэтому результирующий сигнал подвергается спектральному анализу, обеспечивающий высокоэффективное подавление ложных отражений и помех. Таким образом, с высокой точностью определяется частота результирующего сигнала, соответствующая уровню измеряемого объекта.

Принцип измерения расстояния до поверхности
Принцип измерения расстояния до поверхности.

Импульсные микроволновые уровнемеры излучают короткий сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Сигнал от радара излучается антенной и отраженный от цели (в нашем случае поверхность среды) приходит назад через время задержки $t$. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности по выражению $L=c·t/2$, где $c$ – скорость.

Частота излучения – важнейший параметр радарного уровнемера, определяющий его потенциальные возможности. Чем более высока частота, тем более узок луч и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение. В настоящее время на рынке присутствуют радарные уровнемеры, работающие в диапазоне частот 6…95 ГГц. Эти уровнемеры имеют разные антенны, обладают конструктивными особенностями, используют разные методы обработки сигналов, но для всех справедливо функциональное правило: размеры антенны, ширина измерительного луча и частота излучения жестко связаны.

Высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой 5.8..10 ГГц.

Другой важной характеристикой влияющей на формирование сигнала является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала.

Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35…40 м (в условиях спокойной поверхности).

Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции.

Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня. Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до ± 1 мм) и применяются в системах коммерческого учета.

Рефлексные (волноводные) уровнемеры

Рефлексные уровнемеры предназначены для измерения уровня, дистанции и объема жидкостей, паст и сыпучих продуктов, а также раздела фаз жидких продуктов. Рефлексные (волноводные) уровнемеры по принципу работы подобны радарным уровнемерам, но электромагнитный импульс распространяется не в газовой среде, а по специальному зонду – волноводу. В качестве зондов могут выступать: стержень, трос, группа тросов, коаксиальный кабель. Направленное микроволновое измерение уровня применяется в тех случаях, когда применение других приборов затруднительно, например ультразвуковые приборы могут отказывать из-за высокого содержания пыли или при недостаточной энергии, отраженной сухими сыпучими продуктами или густой пеной.

Волноводный уровнемер
Волноводный уровнемер.

Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. Это позволяет использовать рефлексные уровнемеры в более жестких условиях: высокие температуры, высокое давление, сильное бурление жидкости, резервуары с работающей мешалкой, пары и газы над поверхностью жидкости. Поскольку радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими патрубками.

Данный датчик уровня использует электромагнитные импульсы, которые проходят по волноводу и отражаются от границы резкого изменения диэлектрической постоянной, что означает границу между воздухом и продуктом. Излучаемые импульсы имеют очень низкую мощность и сконцентрированы вдоль зонда, следовательно, излучаемая энергия почти не теряется. Это означает, что сила отраженного сигнала (амплитуда) будет почти одинаковой независимо от длины зонда.

Резервуар с рефлексным уровнемером
Резервуар с рефлексным уровнемером.

Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо/сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред.

Вид распространения радарного импульса в измерительной среде
Вид распространения радарного импульса в измерительной среде.

Интенсивность отраженного эхо/сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Для измерения уровня границы раздела двух сред уровнемер использует остаточную энергию импульса от первого отражения. Часть энергии импульса не отражается от поверхности верхней среды, а продолжает движение в среде, пока не отразится от поверхности нижней среды, при этом скорость распространения волны полностью зависит от диэлектрической проницаемости верхней среды.