Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой — жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом.
Путем измерения уровня можно получать информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерений уровня называют уровнемерами.
Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений уровня рабочей среды — сигнализаторы уровня.
По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5—20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона [пределы измерений (0÷±100) мм или (0÷ ±450) мм] обычно используются в системах автоматического регулирования.
В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и радиоизотопные. Применяются и визуальные средства измерений.
12.2. Визуальные средства измерений уровня
К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные линейки, рейки, рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла.
В производственной практике широкое применение получили уровнемерные стекла. Измерение уровня с помощью уровнемерных стекол (рис. 12.1, а) основано на законе сообщающихся сосудов. Указательное стекло 1 с помощью арматуры соединяют с нижней и верхней частями емкости. Наблюдая за положением мениска жидкости в трубке 1, судят о положении уровня жидкости в емкости, Для исключения дополнительной погрешности, обусловленной различием температуры жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением осуществляют промывку уровнемерных стекол. Для этого предусмотрен вентиль 2. Арматура уровнемерных стекол оснащается предохранительными клапанами, обеспечивающими автоматическое перекрывание каналов, связывающих указательное стекло с технологическим аппаратом при случайной поломке стекла. Из-за низкой механической прочности уровнемерные стекла обычно выполняют длиной не более 0,5 м. Поэтому для измерения уровня в резервуарах (рис. 12.,6) устанавливается несколько уровнемерных стекол с тем расчетом, чтобы они перекрывали друг друга. Абсолютная погрешность измерения уровня уровнемерными стеклами ± (1—2) мм. При измерении возможны дополнительные погрешности, связанные с влиянием температуры окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются до давлений 2,94 МПа и до температуры 300°С.
Рис. 12.1. Схема установки указательных стекол на технологических аппаратах
Чтобы автоматизировать некоторые производственные процессы, требуется контроль уровня жидкости. Подобные измерения выполняются с применением специальных уровнемеров для емкостей, которые подают сигнал при достижении определенного уровня воды. Существует несколько типов этих приспособлений.
Конструктивные особенности и принцип работы
Конструкция измерителей уровня жидкости в резервуаре определяется такими характеристиками:
- Функциональностью. По этому параметру все измерительные устройства этого класса классифицируют на уровнемеры и сигнализаторы уровня жидкости. Последние определяют конкретную точку наполненности емкости (максимальную и минимальную), а первые — постоянно контролируют уровень жидкости.
- Принципом работы. В основу этого параметра заложена акустика, оптика, магнетизм, электропроводность и так далее. От принципа действия устройства зависит область его применения.
- Методика измерения (бесконтактная или контактная).
Кроме того, конструктивные особенности устройства определяют тип технологической среды. Например, уровнемеры в баках с питьевой водой отличаются от приспособлений, которые предназначены для измерения наполненности резервуаров с промышленными стоками.
Разновидности датчиков
Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:
Существуют и другие типы устройств, но они обладают специфичным назначением.
Правила выбора
Выбирать уровнемер для резервуаров необходимо с учетом большого количества факторов. Среди них:
- состав воды;
- объем емкости и материал, который был использован для ее изготовления;
- потребность в контроле предельного и минимального уровня жидкости или мониторинг действительного состояния;
- возможность внедрения автоматического управления в систему;
- коммутационные возможности приспособления.
Для выбора бытовых устройств важно учитывать объем емкости, схему управления и принцип срабатывания.
Популярные модели
Современный рынок предлагает много моделей сигнализаторов. Самые популярные из них:
- ДЕ-1 (датчик емкостный). Чаще всего этот сигнализатор используется в агрессивных средах химической и металлургической промышленности. Он позволяет контролировать температуру и уровень сыпучих и жидких веществ. Нередко используется в установках аварийной защиты.
- ЭСУ-1 (электронный сигнализатор уровня). Корпус этой модели изготовлен из высококачественной стали и фторопласта. Чаще всего ЭСУ-1 устанавливают во взрывоопасных и агрессивных средах. Источник электропитания находится за пределами технологической среды. Датчик измеряет уровень нефти, спирта и воды. Блок питания выполнен из прочного алюминиевого сплава.
- РУ-305 (реле уровня). Этот прибор предназначен для контроля состояния жидких сред. Его корпус выполнен из особого материала и может с легкостью выдерживать температуры от -50 до +50 градусов Цельсия. Однако РУ-305 запрещается применять в агрессивных химических средах. Из недостатков этого уровнемера потребители отмечают лишь то, что он работает только в одном положении, без наклона. Измерение уровня осуществляется посредством перемещения магнита с поплавком и срабатывания герконом. Измерения имеют точность не более 5 мм.
- СУ-100 (сигнализатор уровня). Датчик для измерения уровня сыпучих и жидких веществ. В конструкции СУ-100 присутствует электромагнитное реле.
- Rosemount 5600. Этот радарный датчик уровня позволяет бесконтактно измерять любую разновидность веществ. Чтобы добиться максимально точных показаний, уровнемер необходимо правильно установить. Точность показаний устройства может ухудшаться из-за воздействия электромагнитного излучения. Корпус обладает взрывозащитной конструкцией и дисплеем, на котором отображается вся необходимая информация. Rosemount 5600 может использоваться для измерения температурных показателей в резервуаре. Чтобы в полной мере оценить возможности этого оборудования, ему необходима квалифицированная настройка с учетом диаметра трубопровода, длины уровнемера и расстояния между уровнем и опорной точкой.
Сложные модели целесообразно приобретать лишь для промышленного применения. Для бытовых целей подходят простейшие варианты уровнемеров.
Описание измерения уровня гидростатическим методом на основе оборудования «Aplisens».
Компания APLISENS (Республика Польша) работает на рынке Республики Беларусь с 2001 года, совместно с компанией ООО «НПЦ «Европрибор». Уже более 10-ти лет «НПЦ «Европрибор» известен поставками оборудования КИПиА и сопутствующей электротехнической продукции.
Если в начале своей деятельности предприятие специализировалось на поставках преобразователей давления торговой марки «APLISENS» (из Польши), то по истечении десятка лет сфера деятельности значительно расширилась. Поставка датчиков давления по-прежнему является приоритетным направлением с тем лишь отличием, что их производством в настоящее время занимается белорусский производитель СООО «АПЛИСЕНС».
С 2013 года оборудование торговой марки APLISENS, выпускаемое на предприятии в г. Витебске обладает исключительным для республиканского рынка сроком гарантии − 10 лет, а межповерочный интервал составляет шесть лет. Следует отметить, что такие беспрецедентные сроки − наилучшее доказательство уверенности сотрудников предприятия в своей работе, а решение об увеличении этих сроков принималось по результатам положительных отзывов эксплуатирующих предприятий и региональных Центров стандартизации и сертификации.
Номенклатура изготавливающихся преобразователей давления, помимо решения обычных для данного типа приборов задач по измерению собственно давления, позволяет также применять их для контроля уровня и плотности. Гидростатический метод во многих случаях оказывается более рациональным выбором по сравнению с бесконтактными, микроволновыми или емкостными принципами измерений. Сочетание надежности и приемлемой стоимости этого варианта в некоторых случаях делает его и вовсе безальтернативным.
Кто-то может возразить (и вполне резонно), что прямой контакт с измеряемой средой уже накладывает существенные ограничения на использование преобразователей давления для измерения уровня: температура, химическая агрессивность, абразивность и вязкость среды − параметры, существенно затрудняющие измерение и сокращающие срок службы приборов. Однако и для сложных применений у специалистов СООО «АПЛИСЕНС» есть, что ответить таким скептикам.
Рассмотрим несколько примеров, представляющих наиболее часто встречающиеся задачи.
Измерение уровня в открытом резервуаре. Казалось, чего уж проще − врезаем датчик давления в боковую стенку емкости, чуть выше уровня возможного осадка (но ни в коем случае не в подводящие или отводящие трубопроводы) и получаем точный и надежный уровнемер для чистой воды или схожей по консистенции жидкости при невысоких температурах (до 80-ти градусов).
Технологическое подключение в этом случае фактически представляет собой чувствительный элемент в специальном штуцере, исполнение которого позволяет без лишнего монтажного оборудования решать проблемы гигиенического присоединения, повышенной температуры (радиатор RM) или загрязненной жидкости (штуцер типа Р с большим диаметром входного отверстия). Например, тип штуцера СМ30х2 активно используется на молочных комбинатах (измерение уровня молока в танках хранения), спиртзаводах (контроль уровня браги) и т.д.
В случае необходимости измерения более «сложных» жидкостей (повышенная вязкость и температура, возможность застывания, большая степень загрязнения, химическая агрессивность или необходимость гигиенического соединения) СООО «АПЛИСЕНС» предлагает потребителям большой выбор технологических подключений и мембранных разделителей.
Номенклатура, соответствие мировым стандартам и гигиеническим нормам, разнообразие вариантов подключения и материалов мембранных разделителей решают 99 % всех задач (по крайней мере, из тех, с которыми нам приходилось сталкиваться).
Однако, кроме стандартных исполнений, предлагаемых множеством производителей, СООО «АПЛИСЕНС» может предложить потребителям и несколько достаточно эксклюзивных моделей: NORD-для измерения давления (уровня)в процессах с высокими температурами измеряемой среды (до 330 градусов) при низких температурах окружающей среды (до -50 градусов); S-Wash − с возможностью промывки мембраны; S- Битум — для измерения уровня битума (вязкая, застывающая среда с температурой в рабочий период до 200 градусов), используемого дорожными службами.
Для битума конструкторами СООО «АПЛИСЕНС» была разработана конструкция, использующая воздушную подушку для передачи давления от горячей среды к чувствительному элементу преобразователя, защищая его тем самым от высокой температуры и обеспечивая хорошую точность измерений.
Измерение уровня жидкости в скважине. В отличие от резервуаров, описанных выше, врезать преобразователь давления в скважину или приямок (впрочем, как и в любую емкость, зарытую в землю) весьма проблематично. Гидростатический метод измерения в такой ситуации может быть реализован в виде погружного зонда глубины типа PC-SG-25. Линейка этих приборов позволяет решать задачи по измерению уровня до 500 метров. Небольшой диаметр зонда − 25 мм − позволяет использовать их для отслеживания статического и динамического уровней воды в артезианских скважинах.
Для особо тонких скважин есть и более тонкие зонды PC-SG-16 − их диаметр составляет 16 мм.
Городским водоканалам и ЖКХ интересно измерение уровня на КНС — для этого мы предлагаем преобразователи PC-SG-25S с широкой лицевой мембраной, предназначенные для измерения сточных вод. Специальные исполнения зондов также включают датчики с вынесенной электроникой (для измерения уровня горячих сред с температурой до 120 градусов, например, мазута), с индикатором, а также зонды с корпусом из титана для измерения уровня кислот.
Измерение уровня в закрытых емкостях (под избыточным давлением). Физический принцип измерения уровня при наличии избыточного давления − вычитание значения избытка из суммарного давления в емкости на высоте нижней точки отбора, жидкости. Для реализации этого принципа на практике успешно применяются преобразователи разности давлений, т.к. согласно физической модели достаточно двух точек отбора давления: верхняя (минусовая, отрицательная) − для контроля избыточного давления газовой (паровой) фазы, и нижняя (плюсовая, положительная) − для снятия суммарного давления газовой фазы и гидростатического давления столба. Номенклатура таких преобразователей, производимых СООО «АПЛИСЕНС» широка, однако, в применении к измерению уровня основные различия заключаются в способе технологического подключения.
Рассмотрим их на примере интеллектуальных преобразователей типа APR-2000 (не рекомендуется измерение уровня в емкостях под давлением при помощи аналоговых датчиков). Следует также отметить, что все промышленные объекты, работающие под давлением, относятся к зоне внимания Госпромнадзора, поэтому при разработке проекта по измерению уровня нужно обращаться к соответствующим нормативным документам для безопасной организации всех коммуникаций.
Первый тип технологического подключения — тип Р. Предназначен для прямого присоединения к импульсам давления посредством приварных ниппелей. Учитывая небольшую массу преобразователя с таким типом присоединения, можно не предусматривать специальные устройства крепления датчика на стене или трубе, а монтировать его.
Это самый бюджетный вариант с вытекающими из этого последствиями: статическое давление не превышает 4 МПа, а всю запорную арматуру (подающие вентиля и уравнивающие) потребителю придется собирать отдельной сварной конструкцией.
Второй тип − тип С − фланцевое соединение, аналогичное большинству преобразователей перепада давления, использующихся на белорусских предприятиях (Метран-15С)СО, АИР-20-ДД и т. д.). Соединение удобно тем, что допускает прямой монтаж к вентильному блоку, что в значительной мере упрощает установку датчика на объекте − достаточно подвести импульсные (а при необходимости, еще и дренажные) линии к блоку. Еще одним преимуществом такого типа присоединения является возможность работы с высоким статическим давлением − до 25 МПа (опционально до 40 МПа).
Третий тип подключения выделен в отдельную модификацию − APR-2200. Этот датчик предназначен для подключения к емкости посредством мембранных разделителей, причем один или оба разделителя могут быть дистанционными − давление от разделителя к соответствующей камере преобразователя передается через капилляр, заполненный специальным маслом. Применение капилляров и разделителей позволяет избавить измерительную систему от неприятностей, возможных для обычного метода подключения датчика при помощи стальных импульсных линий: промерзание или засорение линии, застывание самой измеряемой среды или контакт чувствительного элемента преобразователя с химически агрессивной измерительной средой. Применение разделителей позволяет прибору быть более гибким с точки зрения подключения к процессу: это может быть и резьбовое соединение, и фланцевое и гигиеническое.
Четвертый тип технологического подключения также выделен в отдельную модификацию − APR-2000Y. Этот прибор является уникальным и был разработан для нужд предприятий газовой отрасли Республики Беларусь, занимающихся хранением сжиженного газа. Необходимость его разработки обусловлена конструкцией емкостей в парках хранения — эти емкости предполагают наличие установочных мест для приборов КИПиА (в том числе и уровнемеров) только сверху, что, казалось, исключает саму применимость гидростатического метода (т.к. нет очевидной возможности снять суммарное давление паровой и жидкой фазы).
Этот факт, в свою очередь, открывает дорогу другим методам − радарным и поплавковым. Но инженерами СООО «АПЛИСЕНС» была разработана такая конструкция, которая позволила решить данную проблему и оснастить большое количество ГНС приборами именно нашего производства. И хотя уровнемер был разработан для сжиженного газа, он может работать с любыми жидкостями в диапазоне плотностей до 2 ООО кг/м З . Прямым показанием к применению этого типа преобразователя является невозможность реализации измерения уровня в емкости при помощи традиционных преобразователей разности давления, (подземная ёмкость или с газом)
В заключении хотелось бы добавить, что СООО «АПЛИСЕНС» − организация, которая постоянно развивается, разрабатывает новые направления и оборудование. Если Вы не знаете, как можно решить ту или иную задачу по уровнеметрии − обратитесь к нам: возможно, Ваша задача станет нашим новым решением.
Ведущий технический специалист СООО «АПЛИСЕНС» Трепашкин Денис