Система Saab Tank Radar TRL

Важным достоинством этих датчиков относится отсутствие трущихся частей. Датчики совершенно не подвержены механическому износу, что гарантирует очень надежную и стабильную работу на протяжении многих лет.

К особенностям этих датчиков также относится низкий коэффициент нелинейности и высокая повторяемость показаний измерения [1].

Поплавковые уровнемеры не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой. При измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.

Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровней в больших открытых резервуарах, а также в закрытых резервуарах с низким давлением.

 

2.3 Буйковые уровнемеры

 

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на широко известном физическом явлении, описанном в законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которая пропорциональна весу вытесненной телом жидкости.

          Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является ЧЭ буйковых уровнемеров. Примером материала буйка может служить нержавеющая сталь.

Буек располагается в вертикальном положении и должен быть частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается таким образом, чтобы она была приближена к максимальному измеряемому уровню.

          По закону Архимеда вес буйка в жидкости должен изменяется пропорционально изменению уровня этой жидкости.

          На рисунке 2.5 показан принцип действия буйкового уровнемера.

1- буёк; 2- штанга; 3-рычаг; 4- противовес; 5- преобразователь;

6- уплотнительная мембрана

Рисунок 2.5 -  Принцип действия буйкового уровнемера

 

Работает уровнемер следующим образом. Когда уровень жидкости в емкости меньше или равен начальному уровню h0 (зона нечувствительности уровнемера), измерительная штанга 2, на которую подвешен буек 1, находится в равновесии. Так как момент M1, создаваемый весом буйка G2, уравновешивается моментом M2, создаваемым противовесом 4.

          Если уровень контролируемой среды становится выше h0 (например, h), то часть буйка длиной (h-h0) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьшается на некоторую величину, определяемую как F =ρgS(h−h0). Следовательно, уменьшается и момент M1, создаваемый буйком на штанге 2.

Так как момент M2 становится больше момента M1, штанга поворачивается вокруг точки (О) по часовой стрелке и перемещает рычаг 3 измерительного преобразователя 5. Электрический или пневматический измерительный преобразователь формирует выходной сигнал. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной нулю. Уплотнительная мембрана 6 служит для герметизации технологической емкости при установке в ней ЧЭ [2].

Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных, жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32-х МПа), широком диапазоне температур (от минус 200 до + 600°С) и не обладающих свойствами адгезии (прилипания) к буйкам. Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м.

Главной особенностью буйковых уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух сред.

Недостатком буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16-ти м) диапазонов измерения уровней жидкостей и жидкостей, обладающих адгезией к буйку.

 

2.4 Емкостные  уровнемеры

Емкостные уровнемеры, контактирующие своим ЧЭ с измеряемой жидкостью, используются для однородных жидкостей, сохраняющих свое агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур и давлений (не выпадающих в осадок и не вскипающих).

Принцип действия емкостных уровнемеров (рисунок 2.6) основан на изменении электрической емкости ЧЭ пропорционально уровню погружения в контролируемую среду. Для измерения уровня первичный преобразователь крепится в верхней части резервуара. Для разных жидкостей применяются различные исполнения первичных преобразователей. Принципиально отличаются первичные преобразователи для измерения уровня электропроводных и неэлектропроводных сред.

Для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей применяются первичные преобразователи с неизолированными электродами, выполненными в виде:

-металлических коаксиальных труб;

-металлических проводов — тросов.

Рисунок 2.6 – Принцип действия емкостного уровнемера

 

При измерении уровня с компенсацией погрешности, вызванной изменением диэлектрических свойств контролируемой жидкости, используются первичные преобразователи, которые имеют компенсационную часть, размещенную ниже измерительной части и определяющую собой величину нижнего неизмеряемого уровня. У первичных преобразователей для измерения уровня электропроводных жидкостей измерительный электрод покрыт изоляционным слоем и выполняется в виде стержня. В качестве изоляции может использоваться фторопласт, стекло. Первичные преобразователи электропроводных жидкостей предназначены для измерения уровня высоко агрессивных сред: соединений сероводорода, азотной кислоты [3].

Недостатком таких уровнемеров является то, что вязкие жидкости, такие как нефть, нельзя измерять емкостными приборами вследствие налипания парафинов и смол на ЧЭ.

 

2.5 Гидростатические уровнемеры

 

Основным принципом действия данных уровнемеров является измерение гидростатического давления, оказываемого жидкостью.

Величина гидростатического давления Рг зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости ρ.

Измерение гидростатического давления может осуществляться различными способами, например:

- манометром, который подключается к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня;

- дифференциальным  манометром, который подключается  к резервуару на высоте, равной  нижнему предельному значению  уровня, и к газовому пространству над жидкостью;

- измерением  давления воздуха, прокачиваемого  по трубке, опущенной в жидкость  на фиксированное расстояние.

На рисунке 2.7 показано измерение уровня датчиком избыточного давления (манометром). Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений.

Рисунок 2.7- Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления

 

При измерении уровня гидростатическим способом, погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления.

Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое не учитывается змерительной схемой. Поэтому данная схема измерения для таких случаев не подходит. В связи с этим, более универсальными    являются схемы измерения   уровня   с    использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров).

С помощью дифманометров можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей.

Схема измерения уровня жидкости в открытом резервуаре, находящемся под атмосферным давлением, представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8- Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления

 

Плюсовая камера дифманометра через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой.

В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, так как результирующий перепад давления на дифманометре равен:

 

,              (2.2)

 

где - давление гидростатическое, Па;

   - атмосферное давление, Па.

 Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h , то используют УС.

           Схемы измерения уровня с УС для резервуаров под атмосферным давлением представлены на рисунке 2.9

                               а)                                               б)

Рисунок 2.9 - Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением УС; б – с верхним расположением УС

 

Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке. Для измерения уровня в резервуарах,    находящихся  под   избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием УС

 

Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде:

 

                                                                           (2.3)

 

Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая - в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки.

Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рисунке 2.11.

               а)                                    б )                                         в)

Рисунок 2.11 - Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без УС; в – для закрытых резервуаров с УС

 

Гидростатические уровнемеры - ближайшие родственники датчиков давления. Они дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности, сложности 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 [4].

 

2.6 Рефлексные (волноводные) уровнемеры

 

Принцип действия волноводных уровнемеров основан на технологии рефлектометрии (рисунок 2.13). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической проницаемости, отличной от проницаемости газа над поверхностью среды, то из-за разности коэффициентов диэлектрических проницаемостей   происходит     отражение     микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения уровня, поскольку радиоимпульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению.

Рисунок 2.13 – Принцип действия рефлексного (волноводного) уровнемера

 

Поскольку радиоимпульсы 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 горловинами [5].

         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. 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. Благодаря этому, волноводные уровнемероы могут применяться для измерения нефти, темных, светлых нефтепродуктов, сжиженного газа, кислот.

 

2.7  Радиоизотопный уровнемер

 

Принцип его действия основывается на том, что слабое гамма-излучение от источника, проникая через стенки сосуда и его внутреннюю полость, улавливается приемником (рисунок 2.14). В счётчике Гейгера происходит ионизация заполняющего его газа. За счёт приложенного к электродам счётчика высокого потенциала возникает импульсный ток. Частота импульсов прямо пропорциональна интенсивности потока гамма-излучения. При заполнении сосуда каким либо продуктом, часть гамма-излучения поглощается последним. Контроллер способен распознать порог изменения интенсивности потока гамма-излучения и переключить контакты встроенного реле.