Гідростатичний спосіб вимірювання рівня заснований на тому, що в рідині існує гідростатичний тиск, пропорційне глибині, т. Е. Віддалі від поверхні рідини. Тому для вимірювання рівня гідростатичним способом можуть бути використані прилади для вимірювання тиску або перепаду тисків. Як такі прилади зазвичай застосовують діфманометри.
При включенні дифманометра перепад тисків на ньому буде дорівнює гідростатичному тиску рідини, яка пропорційна вимірюваній рівню.
Суть процесу полягає в тому, що одна мембрана датчика встановлюється на резервуарі, до того місця, де йде подача вимірюваного середовища. Друга мембрана встановлюється безпосередньо на подачі атмосферного тиску - це виконання може бути застосовано для вимірювання рівня у відкритих резервуарах. У закритих же резервуарах друга мембрана встановлюється в області надлишкового тиску.
· Простота монтажу та обслуговування;
· Гідростатичні рівнеміри відмінно працюють з в'язкими рідинами і при великому надлишковому тиску.
· Реалізація методу не передбачає використання рухливих механізмів;
· Рух рідини викликає зміна тиску і призводить до помилок вимірювання (тиск щодо площини відліку залежить від швидкості потоку рідини - наслідок закону Беррнуллі);
· Атмосферний тиск повинен бути скомпенсировано;
· Зміна щільності рідини може бути причиною помилки вимірювання.
· Чутливий елемент знаходиться в безпосередньому контакті з вимірюваним середовищем, що вимагає для датчиків спеціальних матеріалів, істотно звужуючи область їх використання.
Від останнього недоліку вільний один з типів гідростатичних рівнемірів - п'єзометричний. якого наведена на рис. 6. нрі6ор працює наступним чином. Нейтральний (по відношенню до об'єктів У посудині рідини) газ при відкритому відсічна клапані До проходить через фільтр Ф, дросселируется до певного заданого тиску дроселем Др іпропускается через імпульсну трубку, опущену в рідину, рівень якої вимірюється. Регулятор витрати Р забезпечує постійну витрату газу q, що не залежить від поточного значення рівня h. М ерой h в даному випадку є реєстроване манометром М тиск.
Принцип дії електричних рівнемірів заснований на розходженні електричних властивостей рідин і газів. При цьому рідини, рівень яких вимірюється, можуть бути як провідниками, так і діелектрика-ми; гази же, що знаходяться в нажідкостном просторі, завжди діелек-трики. Основним параметром, що визначає електричні властивості провідників, є їх електропровідність, а діелектриків - відно-вальну діелектрична проникність, що показує, у скільки разів у порівнянні з вакуумом зменшується в даній речовині сила взаи-модействие між електричними зарядами.
Залежно від того, який вихідний параметр (опір, ємність або індуктивність) первинного перетворювача "реагує" на зміну рівня, електричні рівнеміри підрозділяються на кондуктометрические, ємнісні і індуктивні.
Кондуктометрические рівнеміри (рівнеміри опору) застосовуються для вимірювання рівня провідних рідин (в тому чис-ле, і рідких металів). Первинний перетворювач (рис. 7) кондуктометрического рівнеміра є два електроди, глибина занурення яких в рідину і визначає поточне значення її рів-ня. Вихідним параметром перетворювача є його опір або провідність. При вимірюванні рівня "надпровідних" рід-тей (наприклад, рідких металів) можливе застосування кондуктометричних рівнемірів з одним електродом, роль другого електрода при цьому виконує заземлений посудину.
Основні фактори, що обмежують точність кондуктометричних рівнемірів - мінливість площ поперечних перерізів електродів (і внаслідок цього мінливість питомих опорів по довжині електродів), а також утворення на електродах плівки (оксиду, солі) з високим питомим опором, що призводить до різкого неконт-роліруемому зниження чутливості датчика.
Крім того, на точність кондуктометричних рівнемірів сущест-дарське вплив робить зміна електропровідності робочої жид-кістки, поляризація середовища поблизу електродів.
Внаслідок цього похибки кондуктометричних методів изме ренію рівня (навіть при використанні різних компенсаційних схем) досить високі (5-10%), тому вони знаходять преимущест-дарське застосування в якості сигналізаторів рівня проводять жид-кісток.
Робота таких рівнемірів заснована на різниці діелектричної проникності рідин і повітря. Найпростіший первинний перетворювач ємнісного приладу являє собою електрод (металевий стрижень або дріт), розташований у вертикальній металевій трубці. Стрижень разом з трубою утворюють конденсатор. Ємність такого конденсатора залежить від рівня рідини, так як при його зміні від нуля до максимуму діелектрична проникність буде змінюватися від діелектричної проникності повітря до діелектричної проникності рідини.
Первинний перетворювач (рис. 8) ємнісного уровнемерапредставляет собою коаксіальний циліндричний конденсатор, внут-ренней обкладанням якого служить металевий зонд 1, покритий ізоляцією 2.
Зонд розташований по осі металевої труби 3, що являє-ся зовнішньої обкладкою датчика-конденсатора. Зазор між зовнішньою по-поверхнею ізоляції зонда і зовнішньої обкладкою називається робочим зазором, сполучених через отвори в нижній центрувальними втулці і в зовнішній трубі з посудиною, в якому вимірюється рівень. Рідина, потрапляючи через ці отвори в робочий зазор датчика, змінює його кажу-щуюся ємність. Вимірювальна схема (вторинний перетворювач) ре-гістрірует різниця здаються ємностей датчика при поточному і нулі-вом значеннях рівня.
Внаслідок простоти, зручності монтажу та обслуговування, надійність-ності і потенційно високої точності (відомі ємнісні рівнеміри, основна похибка яких становить менше 0,1-0,2%) ємнісні рівнеміри знаходять широке застосування в промисловості.
До недоліків ємнісних рівнемірів відносяться: висока чувст-вітельность до зміни електричних властивостей рідин, обумовлюються ленних зміною їх складу, температури і т. П. Освіту на еле-ментів датчика електропровідний або непроводящей плівки вследст-віє хімічної активності рідини, конденсації її парів, налипання самої рідини на контактують в ній елементи і т. п.
Обидва зазначених нестачі зумовлюють появу істотних додаткових похибок. З першим з них борються, застосовуючи різні компенсаційні схеми; другий усувають, використовуючи адге-Зіон покриття елементів датчика, вводячи спеціальні присадки в рідину, застосовуючи "знесення" утворюється плівки і т. д.
Ємнісні рівнеміри можуть вимірювати рівень не тільки рідин, але і твердих сипучих матеріалів: цементу, вапна і т. П.
Первинний перетворювач індуктивних рівнемірів представля-ет собою котушку індуктивності. Провідна рідина при цьому гра-ет або роль шунта, що змінює число витків котушки, або роль ек-рана, що впливає на коефіцієнт самоіндукції котушки. У першому випадку використовуються котушки з оголеними витками. При переміщенні рівня рідини, що володіє високою електропровідністю, частина витків шунтируется і відповідним чином змінює індуктивність котушки первинного перетворювача - датчика.
Екранує ефект провідної рідини полягає в воз-нення в ній вихрових струмів (струмів Фуко), електромагнітне поле яких надає розмагнічуюче дію на поле вимірювач-ний котушки. При цьому датчик виконується у вигляді котушки, поміщений-ної в захисний чохол (рис. 9). Чохол виключає контакт котушки з контрольованою рідиною, забезпечує можливість проведення монтажно-демонтажних робіт без порушення герметичності посудини (що особливо важливо, на-приклад, при вимірюванні рівня рідких тепло-носіїв в ядерних реакторах). Однак при цьому (особливо при великих товщинах чохла і малої електропровідності рідини) різко зменшується рівень корисного сигналу.
Найбільш істотний вплив на показу-ня (і на похибка) індуктивних уровнеме-рів надають зміни електропровідності рідини і чохла внаслідок старіння ма-ла, освіти плівок і т. П.
Основна ж похибка індуктивних рівнемірів, обумовлена похибками його градуювання і вимірювальної схеми, мо-же бути "покладена" в ± 0,5%
Існують і знаходять застосування акустичні рівнеміри трьох основних типів - локаційні рівнеміри, рівнеміри поглинання і резонансні. Всі вони реалізують різні фізичні явища, пов'язаний-ні з поширенням звуку в пружною (рідинної або газової) середовищі.
Локаційні рівнеміри (рис. 10) реалізують ефект відпрацьовано-вання звукової хвилі від поверхні розділу середовищ. Генератор Г випромінюючи-ет в рідину пачку імпульсів високої (ультразвуковий) частоти. От-вираз від кордону розділу рідина-газ сигнал вловлюється приймачем П ультразвукових коливань. Час t між моментом посилки зондуючого імпульсу і моментом приходу відбитого від рівня імпульсу пов'язано з поточним значенням рівня. Час t фіксується відповідної вимірювальної схемою і перетворюється у вихідний сиг-нал рівнеміра, пропорційний поточному значенню рівня h.
Недоліки локаційних рівнемірів:
· Підвищена чутливих-ність до включень в рідини (мікровзвесей, бульбашок газу)
· Основними факторами (крім похибок вимірювальної схе-ми), що впливають на точність локаційних рівнемірів, є теп-ловое розширення судини і зміна швидкості звуку в середовищі.
Принцип дії дисипативних ультразвукових рівнемірів ос-Нова на явищі розсіювання (поглинання) звуковий енергії в віщо-стве. У найпростішому випадку дисипативний рівнемір (рис. 11) складається з і випромінювача І і пріемнікаП, встановлених на дні і кришці посудини.
Нелінійність функції перетворення (градуировочной характе-ристики), а також низький ККД, обумовлений відбиттям звуковий енергії від кордону розділу рідина-газ (наприклад, інтенсивність пре-ломленія ультразвукової хвилі при проходженні через кордон вода-повітря становить всього 0,001 падаючої), перешкоджає промислово му освоєння дисипативних рівнемірів.
Принцип дії резонансних рівнемірів полягає в викличу-ження коливань стовпа газу над рівнем рідини і в фіксації резонансної частоти, при якій спостерігається виникнення стоячій віл-ни. Датчик рівнеміра (рис. 12) являє собою трубчастий резону-тор достатній для утворення стоячої хвилі довжини L (L має бути не менше трьох діаметрів резонатора і забезпечувати необхідний діа-пазон вимірювання рівня І). Для збудження коливань резонатора використовуються магнітоелектричні перетворювачі М - зазвичай льон-точні мікрофони.
Основні недоліки резонансних рівнемірів - складність і гро-моздкость конструкції (особливо при великих діапазонах вимірювань рівня), а також істотний вплив на їх свідчення змін ско-рости з поширення звуку в газовому середовищі.
При вимірюванні рівня рідин оптичними методами можуть бути використані різні явища, пов'язані з проходженням світла через середовища, що утворюють поверхню розділу, - відображення або заломлення-ня світла на поверхні розділу, ослаблення його інтенсивності в по-глощающей середовищі і ін. Однак на практиці найбільшого поширення отримали оптичні рівнеміри з візуальної фіксацією кордону раз-справи рідина-газ і фотоелектричні рівнеміри, що використовують ефект відбиття світла від поверхні рідини.
Візуальні рівнеміри являють собою прозорі вставки в стінках судини або в сполучених з посудиною мірних трубках з нане-сінної на них шкалою.
Візуальні рівнеміри - найпростіші і в той же час найточніші засоби вимірювання рівня.
При відповідному діаметрі мірної трубки, підсвічуванні поверхні розділу і використанні спеці-альних засобів відліку похибка візуальний-них рівнемірів при нерухомій поверхні рідини може бути зведена до десятих і навіть сотих часток міліметра. Внаслідок цього вони знаходять широке застосування в повірочних установках з мірними баками, зразкових мерниках. Складність дистанційних вимірювань рівня, неможливість використання в системах регулювання авто-матизировать технологічними процесами перешкоджають широко-му промислового застосування візуальних рівнемірів.
Принципова схема фотометрического рівнеміра відображення приведена на рис. 13. Світловий промінь від лампи Л проходить через кондом-саторной лінзу До і через вікно вводиться в посудину. Падаючи під кутом а на поверхню рідини, світло відбивається від неї і попа-дає через оптично прозору стінку на протяжний приймач випромінювання П. Координата приймача у, в якій фік-сіруется максимальна освітленість, ха-рактерізует поточне значення рівня.
Найбільш істотний вплив на по-грешность оптичних рівнемірів ока-показують стан поверхні рідини. Обурення поверхні, поява на ній піни, крен судини спотворюють результа-ти вимірювання рівня. Для усунення
(Зменшення) цих впливів використовують лазерні джерела світла, по-локон світлопроводи і різні компенсаційні схеми.
Теплові рівнеміри засновані або на використанні різниці температур рідини і парогазової суміші над нею (дилатометрические рівнеміри), або залежно від їхньої теплопровідності (терморезисторні рівнеміри і рівнеміри ТЕДС).
Чутливим елементом дилатометрічні рівнеміра (рис. 14) є стрижень або трубка, які омиваються рідиною і парогаза-вої сумішшю. В результаті теплообміну між чутливим елементом-те, рідиною і газом чутливий елемент набуває визначений-ву температуру, пропорційну температур рідини і газу, а також поточного значення рівня рідини в посудині. Отже, при сталості температур рідини і газу середня температура чувст-вітельно елемента буде мірою поточного значення рівня.
Дилатометрічні рівнеміри застосовують при вимірюванні рівня конденсованих рідин, т. Е. Коли температури рідини і парогазової суміші над нею відносно стабільні і при цьому значно різняться між собою.
Незважаючи на простоту і надійність дилатометрические рівнеміри внаслідок малих діапазонів вимірювань (не більше 0,75 м) і невисокої точності не отримали широкого промислового застосування.