Вимірювання рівнем: види, способи і методи

На багатьох виробництвах в якості технологічних середовищ використовують рідинні та сипучі матеріали. В режимах потокового виготовлення продукції і особливо з автоматичними органами управління потрібен постійний контроль параметрів робочих матеріалів. Найбільш поширеним засобом такого контролю є вимірювання рівнем, в процесі якої відслідковується ступінь наповнення того чи іншого ємнісного обладнання.

Реалізація технології

Під рівнем в даному випадку розуміється висота заповнення технологічної установки (баки, резервуари, цистерни, поршня) робочої середовищем. Саме по собі знання цієї величини необхідно для управління і контролю виробничого процесу. Зокрема, такі виміри є необхідною операцією хімічної, нафтопереробної і харчової промисловості. Знаючи рівень наповнення ємності для збору очищеної нафти, наприклад, оператор може встановити оптимальні параметри для роботи перекачувальної насосної станції. І знову ж таки, багато хто виробництва працюють на автоматиці, тому вихідні дані можуть оброблятися контролерами, які навіть без участі оператора подають команди виконавчим агрегатів з урахуванням отриманих відомостей про рівень наповнення контрольованого апарату. В залежності від конкретної технологічної операції та вимог до обліку, можуть змінюватися різні одиниці виміру рівня – наприклад, існують методи з широким діапазоном виміру від 05 до 20 м, а також спеціалізовані лабораторні схеми контролю, при яких враховується вузький спектр від 0 до 500 мм. Безпосередній вимір здійснюють фізичні, електромагнітні та ультразвукові апарати, деякі з яких також фіксують і властивості середовища – хімічний склад, тиск, температуру і т. д.

Візуальні способи контролю

Найпростіший спосіб розв'язання задачі, при якому досить використовувати стандартний мірний інструмент. Застосовуються рулетки, лінійки, оглядові скла та інші пристосування, які в принципі можна використовувати в заданих умовах конкретної виробничої обстановки. Найбільш ж технологічним засобом вимірювання рівня цього типу є виносний або байпасний покажчик. Його встановлюють у бічній частині ємності за допомогою різьбових, фланцевих або зварних з'єднань. Процес індикації, забезпечується за допомогою прозорій трубці, яка наповнюється по мірі підвищення рівня рідини в цільовому резервуарі. У більш сучасних байпасах використовуються циліндричні поплавці з магнітною системою показань. Але і така конструкція вважається морально застарілої з-за істотних обмежень у комунікаційних можливостях сполучення з керувальною електронікою і засобами автоматизації.

Поплавковий спосіб вимірювання

Теж один з найпростіших традиційних способів контролю рівня наповнення рідинними середовищами. Він заснований на фіксації положення поплавця на самій поверхні обслуговується рідини. Контроль здійснюється за різними принципами – механічним, магнітним і магнитострикционным. В процесі переміщення змінюється характер зв'язку поплавця з контролюючим його елементом – наприклад, жорстко зафіксованим важелем. Кут кріплення змінюється при підйомі поплавця, що і фіксується системою виміру. Зазвичай вимірювання рівнем даного типу відбувається в процесі перетворення того ж кута в електричний сигнал. Найчастіше мова йде навіть не про облік конкретних свідчень, а про реєстрацію моменту досягнення конкретної величини. Іншими словами, коли поплавок досягає встановленого рівня висоти, активізується сигналізатор рівня. У найпростіших схемах відбувається замикання контактів, що призводить до певних технологічних дій – наприклад, зупиняється функція перекачивающего рідина насоса.

Гідростатичні вимірювання робочих середовищ

Ключовим фактором виміру в даній системі рівнеміра виступає гідростатичний тиск. Тобто застосовується манометр з відповідними характеристиками і підводним датчиком тиску. Причому важливим умовою контролю є відділення датчика від робочого середовища спеціальною мембраною з одного боку, а з іншого повинна забезпечуватися подача атмосферного тиску через капілярну підводку від наповнювача. У процесі вимірювання рівнем цього типу відбувається контроль надлишкового тиску, показник якого впливає на характеристики генерації уніфікованого сигналу. Також до манометру підключається електроприлад з перетворювачем, який відповідає за повідомлення про ті чи інші зміни, сталися у підконтрольній середовищі. В якості альтернативи даному способу вимірювання гідростатичного тиску можна привести контроль тиску газу, який закачується в аналог капілярної трубки з боку рідини, що наповнює резервуар. Дана модель роботи гідростатичного манометра називається п'єзометричною.

Радарні засоби вимірювання рівня

На деяких виробництвах застосовується універсальний підхід до вимірювання висотних рівнів наповнення технологічними середовищами. Для роботи з рідинами, газами і сипучими матеріалами оптимально підходить радарна апаратура, дія якої базується на аналізі частотно-модульованих коливань. Вимірюванню піддається час поширення та повернення незатухающих коливань від спеціальних антен до обслуговується середовищі. Хвильові діапазони можуть варіюватися від одного до десятків ГГц. Самі приймально-передавальні антени можуть мати різне пристрій і характеристики випромінювання. Для вимірювання рівня рідин на хімічних виробництвах, наприклад, застосовують стрижневі антени з висотним діапазоном виміру до 20 м. Для середовищ, до контролю яких пред'являються підвищені вимоги в показниках точності, використовують параболічні та планарні пристрою. Зазвичай це сфери технічного обліку, де важлива фіксація вимірювань аж до 1 мм.

Застосування радіоізотопних методів

Основною спеціалізацією даного виду рівнемірів є контроль сипучих матеріалів і рідинних середовищ в закритих резервуарах. Принцип роботи радіоізотопного апарату заснований на поглинанні гамма-променів, які проходять по шару цільової середовища. Технічно процес вимірювання організується з застосуванням джерела і приймача випромінювання. Два пристрої підвішуються або встановлюються на несучій конструкції і управляються реверсивним електродвигуном, який змінює їх позицію по висоті в залежності від поточного рівня наповнення. Якщо система вимірювання рівня робочої середовища знаходиться вище її поверхні, то випромінювання від приймального сигналу буде сильним, так як на його шляху немає перешкоди. Тому електродвигуна від контролера дається сигнал на зниження апаратури. Позиція вимірювальної оснащення буде контролювати сигнал в ємності за допомогою постійної подачі та обробки хвильових коливань.

Ультразвукові методи контролю

Принцип дії в даному випадку багато в чому схожий з радіочастотним контролем, при якому випускається радіосигнал і за характеристиками його відбиття від вимірюваного середовища фіксується ступінь наповнення виробничої ємності. Однак при ультразвуковому методі використовуються спеціальні акустичні прилади для вимірювання рівня наповненості. Тобто поширюються звукові хвилі, причому функціонування апаратури схоже і з принципами локації. Фіксація показників відбувається по часу проходження коливань дистанції від випромінювача до лінії розділу середовищ і назад до приймального пристрою. Розташування кордону розділу визначається зі сторін повітряної (газової) і цільової робочої середовищ. Так працюють об'єднані високоточні апарати, але в самій групі ультразвукових рівнемірів виділяють прилади, які цілеспрямовано можуть контролювати тільки газоповітряну (незаповнену) або тільки робочу середу.

Мікрохвильові методи

Одна з найпопулярніших безконтактних технологій вимірювання, яка поєднує в собі прийоми і принципи радарного електромагнітного контролю. Найбільш перспективною методикою даного класу можна назвати спрямоване електромагнітне вимірювання, при якому коефіцієнт відбиття сигналу визначається на основі надвисокочастотних імпульсів, здатних проникати до дна ємності, минаючи різного роду небажані домішки і шламові частинки. Повернутий сигнал або його частина заміряється за характеристиками повноти і швидкості. З урахуванням часу його проходження визначається ступінь наповненості. Мікрохвильові методи вимірювання рівня робочих середовищ широко використовуються в технологічних задачах контролю наповненості гранульованими і порошкоподібними матеріалами. На таких виробництвах використовують зонди з одинарним підвішуванням на тросах, в той час як стосовно до рідин використовують подвійні і стрижневі несучі конструкції. В цілому оптимізація оснащення при роботі з твердими речовинами себе виправдовує з причин фізико-механічної властивості, які пов'язані з технічними обмеженнями при організації процесів вимірювання.

Висновок

За останні роки технології розробки рівнемірів для контролю технологічних середовищ пережили кілька принципово важливих етапів розвитку, змінили і принципи подібних вимірювань. Серед найважливіших з них можна назвати перехід на безконтактні способи вимірювання та розширення можливостей при роботі з агресивними рідинами. На сьогоднішній день тим же безконтактним радіочастотним або електромагнітним способом можна забезпечити точний контроль сирої нафти, кислоти, розплавленої сірки і рідкого аміаку.