На чем основан принцип действия буйковых уровнемеров
Поплавковые и буйковые уровнемеры. Устройство, принцип действия, расчет, типы и виды поплавковых и буйковых уровнемеров.
Поплавковым уровнемером называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести G и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера. Если пренебречь силой сопротивления кинематики и выталкивающей силой газовой фазы, то действующие на поплавок силы связаны уравнением
G = Vжρ жg, где Vж — объем погруженной части поплавка, ρ ж — плотность жидкости.
Объем Vж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Δρ ж изменяется объем погруженной части на ΔVж, что приводит к изменению осадка, т.е. к появлению дополнительной погрешности. Выражение для ΔVж можно получить в виде
Таким образом, объем погруженной части Vж, а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополни-тельную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для снижения этой погрешности целесообразно уменьшить осадку поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо облегчением поплавка.
В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью гибкой механической связи. Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Сила сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера. Такая конструкция имеет большой диапазон измерения, но не обеспечивает хорошей герметизации резервуара, поэтому используется только при небольшом избыточном давлении или разрежении и невысоких температурах контролируемой среды. Примером такого уровнемера являются уровнемеры типа УДУ. Они предназначены для измерения уровня нефтепродуктов с температурой (-50. 50) °С, в интервале избыточных давлений (-1,5. 3) кПа. Диапазоны измерения 0. 12 или 0. 20 м, основная погрешность ±4 мм.
При более высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером таких приборов являются магнитные уровнемеры типа ПМП (рис. 1) НПП «СЕНСОР».
Рис. 1. Схема поплавкового уровнемера ПМП :
1 — корпус; 2 — кабельный вывод; 3 — зонтик; 4 — стопорное кольцо; 5 — постоянный магнит; 6 — поплавок; 7 — направляющая трубка; 8 — герконовое реле
По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок 6 с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. При диапазоне измерения от 0,5 до 6 м высота уровня измеряется с дискретностью 5 мм. При определении массы для учета изменения плотности жидкости в преобразователе производится измерение температуры. Эти преобразователи могут иметь в качестве выходной величины изменение сопротивления, токовый сигнал 4. 20 мА или цифровой.
Магнитные поплавки входят в состав ультразвуковых уровнемеров.
Буйковыми уровнемерами называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) — буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 2).
Рис. 2. Расчетная схема буйкового уровнемера
Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием (на рис. 2 таким элементом является пружина). Увеличивая уровень на Н от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х Схема буйкового уровнемера с электросиловым преобразователем :
1 — буек; 2 — рычаг; 3 — груз; 4 — разделительная мембрана
Буек 1 подвешен на конец рычага 2, на другом конце которого расположен груз 3, уравновешивающий вес буйка 1 при нулевом уровне (возможен и другой метод компенсации веса). Разделительная мембрана 4 служит для герметизации резервуара.?
При изменении уровня изменяется усилие, с которым буек действует на рычаг. Небаланс сил приводит к смещению рычага и сердечника дифференциально-трансформаторного преобразователя, выполняющего функцию индикатора рассогласования ИР. Его выходной сигнал поступает на усилитель У, выходной токовый сигнал которого Iвых поступает на выход прибора и в устройство обратной связи УОС.
Последнее представляет собой электросиловой преобразователь, который развивает усилие, устраняющее небаланс сил.
В промышленности при необходимости измерения уровня жидкостей в основном используют буйковые уровнемеры. Они могут контролировать уровень взлива жидкости в резервуаре, уровень границы раздела жидкостей с разной плотностью, а также измерять плотности среды. Буйковые уровнемеры применяются в нефтедобывающей отрасли, в сфере нефтепереработки, нефтехимии, химии и т.д.
Преимущества буйковых уровнемеров
К общим достоинствам буйковых уровнемеров относят метод измерения, по которому они работают – он хорошо известен и практически исключает ошибки и неточности при контроле жидких сред. Также буйковые уровнемеры отличаются простотой конструкции, широким диапазоном рабочих давлений и температур, что делает область применения устройства очень разнообразным. Пожалуй, единственный недостаток данных приборов – это запрет на использование в средах, образующих налипание или отложение осадка на поплавок.
Различные модификации имеют свои особенности и преимущества. Например, буйковые преобразователи уровня СКБ-02 обладают возможностью:
Устройство и принцип действия буйковых уровнемеров
Принцип действия буйковых уровнемеров основан на широко известном физическом явлении, описанном в законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которая пропорциональна весу вытесненной телом жидкости.
Цилиндрический буёк, изготовленный из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом буйковых уровнемеров. Примером материала буйка может служить нержавеющая сталь.
Буек располагается в вертикальном положении и должен быть частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается таким образом, чтобы она была приближена к максимальному измеряемому уровню.
По закону Архимеда вес буйка в жидкости должен изменяется пропорционально изменению уровня этой жидкости.
Измерительная схема буйкового уровнемера
Действует уровнемер следующим образом. Когда уровень жидкости в емкости меньше или равен начальному уровню h0 (зона нечувствительности уровнемера), измерительная штанга (2), на которую подвешен буек (1), находится в равновесии. Так как момент М1, создаваемый весом буйка G1, уравновешивается моментом М2, cоздаваемым противовесом (4).
Буйковый уровнемер для измерения уровня жидкости
Буйковый уровнемер — это прибор для измерения жидкости, работающий при помощи буйка, который входит в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью. Буйки не плавают на поверхности жидкости и при повышении уровня они погружаются в жидкость.
Буйковый уровнемер
Принцип работы буйкового уровнемера
Перемещение буйка настолько незначительны, что их тяжело заметить визуально, но обнаружить эти незначительные изменения высоты вытеснителя можно. Даже небольшие изменения положения имеют значение, поскольку они пропорциональны изменению уровня.
Взаимосвязь изменений величины уровня жидкости с изменениями веса некоего предмета, погружающегося в жидкость, изображена на рисунке ниже.
Воздействие изменений величины уровня на величину веса цилиндра
Здесь мы имеем цилиндр, подвешенный и спускающийся в емкость для жидкости. Весы, на которых закреплен цилиндр, показывают некоторую определенную весовую величину. Поскольку емкость пуста, цилиндр не контактирует с жидкостью и отмечается отсутствие подъёмной (выталкивающей) силы; поэтому вес цилиндра равен своей максимальной величине. На второй половине рисунка буек частично погружен в жидкость.
По мере повышения уровня вес буйка будет уменьшаться до того момента, пока буёк полностью не погрузится в жидкость. По мере уменьшения уровня вес цилиндра будет восстанавливаться до первоначальной своей величины. И в том, и в другом случае фактическое смещение буйка совсем небольшое, но механического движения, имеющего место в результате этого, вполне достаточно для использования в системе, с помощью которой получают показания уровня жидкости. В соответствии с производственным применением и в зависимости от свойств жидкости, будут варьироваться форма и фактический вес буйка.
Приборы для измерения уровня
Для измерения уровня жидкостей применяются специальные средства измерений – уровнемеры. Многообразие типов уровнемеров, принцип действия которых основан на различных физических методах, объясняется разнообразием свойств измеряемых жидкостей.
Наибольшее распространение получили следующие виды уровнемеров:
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3. Гидростанические уровнемеры;
4. Пьезометрические уровнемеры;
5. Дифманометрические уровнемеры;
6. Радиоактивные уровнемеры;
7. Акустические и ультразвуковые уровнемеры;
8. Емкостные уровнемеры.
Уровнемер с визуальным отсчетом — уровнемер, основанный на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Уровень жидкости измеряют в стеклянной трубке, сообщающейся с контролируемым сосудом в нижней, а иногда и в верхней части, или же при помощи прозрачной вставки, помещенной в стенке контролируемого сосуда, например, барабанно-парового котла
Буйковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения буйка или силы гидростатического давления, действующей на буек (силы Архимеда).
Буек в отличие от поплавка не плавает на поверхности жидкости, а погружен в жидкость и перемещается в зависимости от ее уровня.
Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных, жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32 МПа), широком диапазоне температур (от –200 до +600 °С) и не обладающих свойствами адгезии (прилипания) к буйкам.
Главной особенностью буйковых уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей.
Недостатком буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16 м) диапазонов измерения уровней жидкостей и жидкостей, обладающих адгезией к буйку.
Пьезометрический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на преобразовании гидростатического давления жидкости в давление воздуха, подаваемого от постороннего источника и барботирующего через слой жидкости.
У этого уровнемера чувствительный элемент не находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, а воспринимает гидростатическое давление через воздух, что является его достоинством.
Для пьезометрических уровнемеров также характерна погрешность измерения из-за изменения плотности измеряемой среды.
Гидростатический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении манометром или напоромером гидростатического давления жидкости, зависящего от высоты ее уровня.
Уровнемеры этого вида обычно используют для измерения неагрессивных, незагрязненных жидкостей, находящихся под атмосферным давлением.
Для измерения уровней агрессивных сред используют специальные разделительные устройства.
Недостатком гидростатических уровнемеров является погрешность измерения при изменении плотности жидкости.
Поплавковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости (поплавок как бы отслеживает уровень жидкости).
Поплавковые уровнемеры не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой.
При измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.
Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровней в больших открытых резервуарах, а также в закрытых резервуарах с низким давлением.
Применение магнитной связи для передачи перемещения поплавка позволяет герметизировать вывод передачи в измерительный блок, упростить конструкцию, повысить надежность, измерять уровень в резервуарах под давлением.
Дифманометрический уровнемер — гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление измеряют при помощи дифференциального манометра. Часто используется для измерения уровня в емкостях под избыточным давлением.
Акустический уровнемер — уровнемер, основанный на зависимости интенсивности поглощения или времени распространения акустических колебаний от высоты уровня жидкости или сыпучего вещества
Ультразвуковой уровнемер — акустический уровнемер, работающий на звуковых колебаниях высокой частоты
Емкостной уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.
В связи с этим по мере погружения электродов датчика уровнемера в жидкость изменяется емкость между ними пропорционально уровню жидкости в резервуаре.
Остановимся на некоторых типах уровнемеров подробней.
Уровнемеры буйковые
Настройка уровнемеров на заданные пределы измерения проводится с помощью грузов путем имитации гидростатической выталкивающей силы, соответствующей верхнему пределу измерений.
Расчетное значение давления, соответствующее верхнему пределу измерений,
Расчет массы грузов для буйковых уровнемеров:
где d – диаметр буйка испытываемого уровнемера, см; Hmax – верхний предел измерения уровня жидкости, см; ρж – плотность измеряемой жидкости, г/см3; ρ н.ж, ρ в.ж — плотности соответственно нижней и верхней измеряемой жидкости в случае измерения уровня раздела фаз, г/см3.
Пьезометрические уровнемеры.
В пьезометрических системах измерения уровня для продувания через трубку помещенную в жидкость, дозированного расхода воздуха. Принцип действия этого регулятора основан на автоматическом поддержании постоянного перепада давления на дросселе, в результате чего обеспечивается постоянный расход воздуха через этот дроссель.
Принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня в открытом резервуаре представлена на рисунке 2, а, б, в, г.
На рисунке 2, д показана принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением. Для исключения влияния давления в резервуаре на показания прибора, измеряющего уровень жидкости, применяется дифференциальный метод измерения с двумя регуляторами расхода. От одного регулятора расхода воздух подается в пьезометрическую трубку, от другого в верхнюю часть резервуара над жидкостью. Разность давлений в трубках, пропорциональная уровню жидкости, измеряется дифманометром.
В системах измерения нижний конец пьезотрубки должен находится на нижнем контролируемом уровне жидкости, но не ниже 80 мм от дна резервуара.
Расход воздуха устанавливается минимальным, чтобы перепад давления на пьезотрубке был возможно меньшим, так как это определяет погрешность измерения пьезометрическим методом.
Минимальный расход воздуха обеспечивается постоянным, без запаздывания, выходом воздуха из пьезометрической трубки при изменениях уровня. Обычно расход воздуха принимается равным 0,1 – 0,2 м3/ч.
Если пренебречь перепадом давления на пьезометрической трубке, то уровень в резервуаре
где Р – давление на манометре М или перепад давления на дифманометре; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
В случае, когда измеряется уровень в резервуаре, находящемся под избыточным давлением, давление питания регулятора расхода воздуха, подающего воздух в пьезотрубку, должно быть:
где Ризб – избыточное давление, кПа; Нмаксρg – максимальное гидростатическое давление столба жидкости, кПа.
Рисунок 2. Обвязка пьезометрических уровнемеров.
На рисунке 2, е показан пример обвязки и монтажа пьезометрического уровнемера с подачей промывочной воды в защитную трубу. В этом случае защищается от «обрастания» нижний конец пьезотрубки, который оказывается в зоне промывочной воды и не контактирует с измеряемой жидкостью.
Гидростатические датчики уровня.
Схемы обвязки и работы гидростатических датчиков уровня представлены на рисунке 3, причем правая обвязка применяется при измерении уровня жидкости в емкости, находящейся под избыточным давлением.
Рисунок 3. Обвязка гидростатических уровнемеров.
В этом случае импульсная трубка, идущая к минусовой полости чувствительного элемента, прокладывается от места отбора давления с уклоном в верх, а в нижней части устанавливаются отстойный сосуд и разделитель мембранный РМ.
Рисунок 4. Измерение уровня в котле (100% — 4 мА/0,2 кгс/см2, 0% — 20 мА/1 кгс/см2)
Очень хорошо себя показал данный принцип измерения уровня на очень сложной позиции при измерении уровня воды в котле (рисунок 4). Обвязка при этом не классическая, а на оборот т.е. на плюсовой отбор подается отбор с верней точки котла (импульсная трубка при этом должна быть заполнена водой), на минус с нижней, и задается обратная шкала прибора (на самом приборе или вторичном оборудовании).
Содержание
Принцип работы
Принцип действия буйковых уровнемеров основывается на законе Архимеда, в соответствие с которым на погруженный в измеряемую среду буек, действует специальная выталкивающая сила. Количество вытесненной жидкости напрямую зависит от уровня погружения буйка в баке.
При изменении уровня жидкой среды изменяется степень погружения буйка датчика, что приводит к изменению его массы. Изменение веса буйка прибора через рычаг направляется на торсионную трубку. Поворотное движение торсионной трубки передается через датчик магнитного поля на контроллер, преобразующий угол поворота в электрический сигнал. Он обрабатывается микропроцессорным автоматизированным блоком и преобразуется в цифровое значение уровня, выводимое на дисплей электронного блока уровнемера и передается по специальному HART-протоколу. При этом значение уровня преобразуется в выходной токовый сигнал (4-20 мА). Действие выталкивающей силы оценивается специальными устройствами. Фактически существует 2 варианта технического исполнения датчика:
Сфера применения буйковых уровнемеров
Буйковые уровнемеры используются преимущественно для решения задач контроля уровня, раздела границ фаз и измерения плотности. Чаще всего они используются для проведения исследований:
Также уровнемеры буйкового типа нередко применяются для сбора сведений в АСУ (границы фаз, уровень, плотность среды), металлургии или в химической и нефтехимической промышленности (в т.ч. нефтедобыче и нефтепереработке). Точная сфера эксплуатации оборудования определяется особенностями его строения и указывается в паспорте прибора.
Достоинства буйковых уровнемеров
Буйковые датчики уровня имеют много преимуществ, к которым можно отнести удобный метод измерения, по которому они работают (этот способ хорошо известен: он минимизирует вероятность возникновения возможных ошибок и неточностей при контроле жидкостей). Также плюсами буйковых уровнемеров можно назвать простоту конструкции, большим диапазоном рабочих температур и давления, широкую область применения и т.д. При этом изделия способны:
Легкость технических измерений
Основным преимуществом буйкового датчика является достаточно простой способ измерения. На сегодняшний день он является одним из самых лёгких, правильных и качественных. При этом за счет полной автоматизации этот способ практически во всех случаях исключает погрешности в ходе исследований.
Простота конструкций
Конструкция поплавковых буйковых уровнемеров создана в соответствии со всеми международными и национальными правилами и нормами, что обеспечивает ее мобильность, безопасность и эффективность использования. Строение приборов позволяет использовать их даже в труднодоступных местах для измерения жидких материалов с любыми характеристиками.
Широкий диапазон измерения рабочей среды
Буйковые уровнемеры для резервуаров отличаются многофункциональностью и универсальностью. Их можно использовать во многих бытовых и производственных сферах. Единственное исключение: прибор не стоит использовать в тех местах, где к поплавку могут прилипнуть посторонние вещества.
Недостатки буйковых уровнемеров
Основными недостатками буйковых уровнемеров считаются:
Что нужно проверить при покупке буйковых уровнемеров
В рамках приобретения датчиков буйкового типа для жидкостей следует проверить их маркировку и данные, которые касаются:
Эти и другие сведения можно найти в паспорте оборудовании, инструкции по эксплуатации и прочих технических документах на устройство.
Меры безопасной эксплуатации буйковых датчиков и преобразователей
В ходе использования уровнемера буйкового типа следует соблюдать определенные меры безопасности (вне зависимости от давления и температуры исследуемой жидкости). Персонал фирмы, которая осуществляет эксплуатацию оборудования, может быть допущен к монтажу, техобслуживанию, использованию и ремонту аппаратуры только после изучения описания оборудования, инструкции по ТБ, а также проверки знаний и получения необходимого инструктажа. Перед установкой приборов нужно проверить:
После этого нужно провести регулировку уровнемера. Все работы должны проводиться в соответствие с требованиями ГОСТ Р 51330.16 «Проверка и техническое обслуживание электроустановок во взрывоопасных зонах». При этом в рамках эксплуатации буйковых уровнемеров обслуживающему персоналу запрещено:
Техническое обслуживание буйковых уровнемеров
Техобслуживание датчика уровня рабочей среды заключается преимущественно в корректировке «нуля», проверке общего конструктивного состояния и в периодической поверке. Если нарушена герметичность фланцевых уплотнений, необходимо менять уплотнительную прокладку.
При эксплуатации буйковый датчик взрывозащищенного исполнения должен подвергаться регулярному внешнему осмотру, при котором нужно проверять отсутствие обрывов или нарушений изоляции соединительных линий, надежность монтажа кабелей, отсутствие вмятин и различных видимых механических повреждений оболочки прибора.
Наладка уровнемеров
Наладка уровнемера для жидкостей осуществляется таким образом, чтобы буек устройства погружался непосредственно при максимальном уровне исследуемой рабочей среды. Предмонтажная проверка датчиков выполняется обычно производится весовым методом. После этого эксперты настраивают измерительную систему таким образом, чтобы погрешность показаний не превышала определенного допуска (вне зависимости от остальных характеристик материала: давления, температуры, массы и т.д.).