Датчики рівня заповнення. Вимірювання заповнення
Розглянуто фізичні основи роботи і принципи побудови датчиків рівня заповнення. Опис конструкцій, загальні характеристики, умови застосування.
Залежно від галузі промисловості та умов, в яких передбачається використання датчиків рівня заповнення, до них пред'являються ті або інші вимоги. Плануючи використання рівнеміра необхідно знати фізико-хімічні властивості заповнюють матеріалів (в'язкість, електропровідність, радіоактивність, абразивність і ін.), Зовнішні умови вимірювання - температура, тиск, агресивність середовища та ін.
Існує досить багато фізичних ефектів і властивостей матеріалів, на основі яких можуть бути розроблені і виготовлені датчики (вимірювальні перетворювачі) рівня заповнення.
Вимірювання за допомогою поплавка
Як чутливий елемент датчика рівня заповнення рідини використовується поплавок. Як поплавка, як правило, використовують кулясті тіла, щільність яких менше щільності рідини. Передача інформації від датчика про рівень заповнення може здійснюватися механічно за допомогою різних роликів, зубчастих коліс, тросів або використовують електричні системи передачі даних (з'єднують переміщення зі змінним резистором і ін.). Для передачі даних можуть бути використані також покрокові вимикачі, посилка імпульсів, магнітна передача переміщення поплавка, індуктивні датчики переміщення.
Похибки вимірювання в таких пристроях в основному виникають за рахунок зміни щільності заповнюється рідини або зміни умов передачі даних (тертя, люфти і ін.).
Ємнісний метод вимірювання рівня заповнення. Ємнісні датчики рівня
Ємнісний метод вимірювання рівня дає можливість вимірювати заповнення порошкоподібних, в'язких, зернистих матеріалів. Ємнісним методом вимірюють рівні порошкоподібних харчових продуктів, зерна, пральних порошків, цементу, піску, вугільного пилу, мазуту, палива, води, кислот і лугів і ін. Ємнісний метод дозволяє проводити безперервні вимірювання. Похибка такого методу 2-3%.
Ємнісний метод роботи датчиків заснований на вимірюванні електричної ємності (використанні принципу роботи конденсатора). Конденсатор утворюється стінкою резервуара і щупом, який занурений в вміст резервуара. Ємність, як правило, вимірюють, застосовуючи напругу високої частоти. Ємність змінюється в залежності від рівня заповнення. Ємність дорівнює сумі ємностей зануреного ділянки і ділянки знаходиться в повітряному середовищі. Виникає паралельне з'єднання двох ємностей, при якому загальна ємність підсумовується. Точність залежить від конструкції зонда і правильності розміщення. Зонд виготовляється з троса, стрижня або трубки. При необхідності (при вимірюванні рівня електропровідних матеріалів) забезпечується ізоляційним покриттям.
Рис.1. Розташування електродів при місткості методі вимірювання. 1 - частково або повністю ізольований електрод, 2 - трубчастий електрод, 3, 4 - електроди у вигляді тросів, 5 - електрод протилежного знаку, 6 - металева стрічка
Мал. 2. Конструкція ультразвукового сигналізатора рівня. 1 - випромінювач, 2 - приймач
На рис.1 показані різні конструкції зондів в ємнісному методі вимірювання рівня заповнення.
Якщо резервуар виконаний з діелектричного матеріалу, необхідно передбачити окремий протилежний електрод. Іноді в конструкціях рівнемірів використовують циліндричний конденсатор, який відкритим кінцем занурюється в вимірювану середу.
Ємнісний метод визначення рівня заповнення є універсальним. Зонди, датчики які виконані у вигляді циліндричного або пластинчастого конденсатора можуть застосовуватися тільки для вимірювання рівня заповнення рідких матеріалів.
Вимірювання рівня заповнення на основі електропровідності
Датчики рівня заповнення на основі електропровідності і метод можуть бути використаний тільки для вимірювання рівня проводять рідких матеріалів.
Принцип вимірювання заснований на зміні електричного опору між двома електродами при їх зануренні в заповнює ємність матеріал. Опір зменшується при зануренні. Даний метод і датчики знайшли застосування для вимірювання рівня заповнення в парових котлах. Недоліком методу є те, що він може застосовуватися тільки для вимірювання рівня електропровідних рідких матеріалів.
Гідростатичний і пневматичний методи вимірювання рівня
Методи можуть використовуватися для вимірювання рівня будь-яких рідин. У гідростатичному методі використовується тиск рідини на дно посудини і його зміна при зміні рівня. У пневматичному методі вимірювання рівня в резервуар примусово необхідно подавати повітря або захисний газ. Метод і датчики використовують в парових котлах, реакторах і ін.
Тиск на дно ємності з рідиною може вимірюватися в відкритих резервуарах за допомогою звичайного або диференціального манометра. У закритих резервуарах, в яких рідина може перебувати під тиском, тільки диференціальним манометром. Тиск залежить від висоти стовпа рідини і від її щільності. Якщо манометр встановлений не на рівні дна, то необхідно вносити поправку.
Пневматичний метод вимірювання рівня заповнення полягає в тому, що в рідину, рівень якої необхідно вимірювати занурюють трубку на певний рівень. Через спеціальний дросель в трубку подають повітря (або будь-якої газ). Тиск в трубці і відповідно над дроселем дорівнює тиску стовпа рідини (і залежить, відповідно від рівня рідини) щодо нижнього краю трубки. Такі вимірювання називають вимірами способом барботирования газу. Матеріал трубки вибирають, враховуючи фізичні і хімічні властивості рідини.
Перевагами цих розглянутих методів і датчиків вимірювання рівня заповнення є їх досить висока ступінь надійності.
Ультразвуковий метод вимірювання рівня. ультразвукові датчики
Ультразвуковий метод вимірювання заповнення може використовуватися для рідких і сипучих матеріалів. Його не можна використовувати тільки в разі якщо рідина містить тверді частинки, що може призводити до великих погрішностей виміру. Даний метод вимірювання дозволяє легко автоматизувати процес вимірювання.
Для здійснення ультразвукового методу вимірювання рівня заповнення необхідно мати джерело ультразвукових хвиль (випромінювач) і приймач. Як правило, використовують частоти від 20 кГц до декількох мегагерц. Для отримання ультразвукових коливань існує два способи: п'єзоелектричний і магнітострикційний.
Мірою рівня може служити, наприклад, час проходження ультразвукового променя. Швидкість променя залежить від середовища поширення. Такий спосіб вимірювання рівня може служити для сигналізації граничних величин рівня заповнення (див. Рис. 2). При заповненні певного простору ультразвуковий пристрій посилає сигнал.
Але для рідин зручніше і точніше метод ультразвукового вимірювання рівня за принципом ехолота. Ультразвук поширюється в просторі над рідиною, відбивається від поверхні (межі розділу повітря-рідина) і за часом повернення до приймача визначається рівень заповнення.
Одним з основних переваг ультразвукового датчика рівня є можливість його застосування у важкодоступних місцях.
Мал. 3. Деякі варіанти розташування випромінювачів при вимірюванні рівня за допомогою радіоактивних ізотопів. 1 - кілька випромінювачів, 2 - використання стержневідной препарату
Датчики рівня заповнення на основі радіоактивних ізотопів. метод вимірювання
Датчики рівня на основі радіоактивних ізотопів, як правило, використовують там, де не можна провести вимірювання за допомогою звичайних датчиків. Найчастіше метод вимірювання рівня на основі радіоактивних ізотопів застосовується для вимірювання рівня агресивних матеріалів, в резервуарах з високою температурою, на металургійних підприємствах, таких матеріалів як вугілля, руда та ін.
Робота датчиків заснована на явищі поглинання радіоактивного випромінювання матеріалами, що містяться в резервуарі. На практиці вимірюють, як правило, товсті шари матеріалів, тому найчастіше в таких датчиках використовують γ-промені. Пучок γ-променів проходить через резервуар по прямій лінії. На протилежній стінці резервуара розташовується приймач випромінювання. Інтенсивність променів, що потрапляють на приймач, залежить від ступеня поглинання їх матеріалом. Конструкції датчиків і систем вимірювання рівня заповнення за допомогою радіоактивних ізотопів можуть бути різні, в залежності від технічних умов і вимог.
Якщо необхідний датчик рівня, що працює за принципом сигналізатора, то конструкція його, приблизно, така ж, як на основі ультразвукового випромінювання (див. Рис. 2). При зміні рівня і перекритті матеріалом променя відбувається спрацьовування датчика і вимірювальної системи.
Якщо необхідно безперервне вимірювання рівня заповнення, то використовують інші конструкції датчиків і методи вимірювання. Наприклад, коли на стінці резервуара розташовується кілька випромінювачів, промені від яких спрямовані до приймача (ріс.3-1). При зміні рівня матеріалу перекривається частина променів і інтенсивність випромінювання, що потрапляє на приймач, змінюється. Безступінчату характеристику (виключаючи граничні області) датчика рівня можна отримати, якщо використовувати замість декількох випромінювачів стрижневий препарат випромінювання. Його називають стержневідний препарат професора Бертольда (ріс.3-2).
Перевагами розглянутого методу вимірювання рівня є: відсутність контактів, можливість вимірювання в особливо складних умовах, експлуатаційна надійність.
Інші методи і датчики вимірювання рівня заповнення
Вимірювання рівня за допомогою датчиків температури - термопар, терморезисторів. Такий спосіб вимірювання можливий для рідких неагресивних матеріалів. Принцип вимірювання ґрунтується на відміну температури матеріалу в резервуарі від зовнішньої температури. Конструкції таких вимірювальних перетворювачів різні, залежать від вимог і умов вимірювання.
Вимірювання за допомогою динамометрів. По суті, відбувається зважування резервуара і матеріалу в ньому. Метод придатний для вимірювання рівня заповнення сипучих матеріалів, агресивних матеріалів. Конструкції вимірювальних систем можуть бути різними і розробляються відповідно до технічних вимог.
Вимірювання рівня заповнення може здійснюватися також за допомогою кінцевих вимикачів з вібруючими чутливими елементами, вимірювання за допомогою витіснювальний тіла і ін. Існують датчики рівня на основі інтерферометричної методу. Тут використовуються лазерні промені для вимірювань відстані.