Конспект лекцій з дисципліни: «Автоматизація виробничіх процесів та мікропроцесорна техніка»

Уравнемеры

Уровнемеры – это специальные устройства, которые используются для определения уровня жидкостей, порошков и других материалов или сырья в определенных резервуарах, в которых они хранятся, или в рабочей среде.

Уровнемеры еще называют датчиками (сигнализаторами) уровня или же преобразователями уровня. Однако, главное различие уровнемера и сигнализатора уровня – способность измерять общие градации полного уровня, в отличие от сигнализатора уровня, которые меряет только граничные отметки.
Виды уровнемеров
Визуальные – являются наиболее простым видом измерителей уровня. Их работа основана на принципе сообщающихся сосудов, а за уровнем жидкости следят напрямую через водомерное стекло.
Механические уровнемеры – в которых отсчет уровня происходит: либо по оценке положения предмета на поверхности жидкости относительно двух точек измерений – это поплавковые уровнемеры; либо по оценке уровня жидкости, вытесненной при погружении предмета (закон Архимеда – F_A = ρgV, где ρ – плотность жидкости (газа), g – ускорение свободного падения, а V – объём погружённого тела) – буйковые уровнемеры.
Гидростатические уровнемеры – принцип действия основан на уравновешивании давления столба измеряемой жидкости и столба жидкости, которая заполняет измерительный прибор на каком-либо производстве.
Электрические уровнемеры промышленной специализации делятся на емкостные и омические.
Акустические уровнемеры – принцип действия основан на измерении времени отражения звуковых колебаний от поверхности раздела газ – контролируемая среда. Разновидностью акустических уровнемеров являются ультразвуковые уровнемеры.
Наиболее современным является радарный уровнемер. Принцип действия его основан на измерении времени переотражения от поверхности раздела газ – контролируемая среда высокочастотных радиоволн. Последний тип уровнемера позволяет производить измерение уровня, как жидкостей, так и сыпучих тел. При этом его можно использовать и при измерении уровня агрессивных сред, например кислот, расплавленной серы, аммиака и т.д.
По принципу действия эти уровнемеры разделяются на визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные.
Электрические уровнемеры. (рис. 6) В них измеряемые значения уровня жидкости преобразуются в соответствующие электрические сигналы. Наиболее распространены емкостные и омические приборы.
Емкостные уровнемеры. (рис. 6а) Вместе со стенками сосуда 1 электрод 2 образует чувствительный элемент – цилиндрический конденсатор, электрическая емкость которого изменяется пропорционально уровню жидкости. Емкость измеряется электронным блоком 3, сигнал из которого поступает в блок 4, представляющий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достижения определенного уровня) или указывающий прибор (в схемах измеренного уровня).
Омические (кондуктометрические) уровнемеры (рис. 6б) основаны на измерении сопротивления при замыкании электрической цепи, образованной электромагнитным реле 1, электродом 2 и контролируемой средой (уровень У) электропроводностью от 2·10~3 См.


Рисунок 6. – Электрические уровнемеры: а – емкостный; б – омический


Рисунок 7. – Ультразвуковой уровнемер: 1, 2 – генераторы, соотв., управляющий и импульсов; 3 – пьезоэлектрический излучатель; 4 – усилитель импульсов; 5 – измеритель времени; 6 – вторичный прибор.

Ультразвуковые уровнемеры (рис. 7). В них используется явление отражения ультразвуковых колебаний (импульсов) от плоскости раздела жидкость-газ (обычно воздух). Время между моментом посылки первичного импульса и моментом возвращения отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня. Эти приборы позволяют измерять уровень без контакта с контролируемой средой в труднодоступных местах.

Радиоизотопные уровнемеры основаны на сравнении интенсивностей потоков a- или b-излучения, проходящих выше либо ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Применение этих приборов целесообразно в случае невозможности использовать иные уровнемеры.
Гидростатические датчики уровня измеряют давление жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от уровня и плотности жидкости, но не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления, к которым подается давление среды и для сравнения второй вход соединяется с атмосферой или с областью избыточного давления в случае емкости под давлением. Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в резервуарах без существенного движения жидкости и могут использоваться для вязких жидкостей, суспензий и паст.
Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и погружные. В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится в нижней части резервуара, при этом расположение мембраны датчика соответствует минимальному уровню. В случае погружного датчика мембрана находится в жидкости и передает давление на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке. Гидростатические уровнемеры обеспечивают высокую точность при невысокой стоимости и простоте конструкции.
Ультразвуковые уровнемеры зондируют рабочую зону волнами ультразвука, т.е. волнами давления с частотой свыше 20 кГц. Конструктивно такой уровнемер состоит из излучателя и приемника колебаний, выполненных на кварцевой пластине, на которой измеряется напряжение отражённого сигнала. Ультразвуковой датчик устанавливается в верхней части резервуара. При этом сигнал проходит через воздух и отражается от от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим.
Скорость распространения ультразвука зависит от температуры, поэтому применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Рабочий диапазон достигает 25 м при погрешности измерения в 1%. Ультразвуковые уровнемеры могут использоваться для агрессивных сред и для сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихся жидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучих продуктов.
Радарные уровнемеры – это наиболее высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В непрерывных уровнемерах идёт как излучение частотно модулированного сигнала, так и одновременно прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. На выходе получается смешаный сигнал, который анализируется с применением специального ПО. Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал с паузами, в которых прием происходит отраженного сигнала. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до поверхности.
Радарные уровнемеры не имеют непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их отличает меньшая чувствительность к температуре и давлению, а также устойчивость к запыленности, испарению, пенообразованию. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность, что позволяет использовать их в системах коммерческого учета, они позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара.
Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала. Рупорная антенна применяется в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35…40 м. Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции. Трубчатая антенна представляет собой удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью.
Кондуктивные зонды работают на электропроводящих жидкостях. При погружении зонда в жидкую среду обнаруживается электрическое сопротивление продукта, между электродами протекает малый переменный ток, который измеряется встроенной электроникой, и это измерение преобразуется в команду переключения выходного реле. Сигнал переключения определяется монтажным положением или длиной электрода. Благодаря простоте обслуживания и надежности эксплуатации кондуктивные зонды могут применяться для защиты от переполнения и сухого хода, а также для управления насосами в любых отраслях промышленности.