Поплавковый уровнемер: подробно простым языком

Поплавковый уровнемер — это прибор для измерения уровня жидкости, сконструированный так, что он плавает наполовину погруженным в жидкость, другая же половина находится над поверхностью жидкости.

Поплавки — это пустотелые предметы, которые всегда входят в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью. Можно использовать вертикальные перемещения поплавка в качестве непосредственного измерения эквивалентного изменения. Перемещения поплавка могут передаваться на ряд различных устройств, с помощью которых осуществляется или непрерывное измерение уровня или же определение уровня с уставками.

Поплавковый уровнемер

Принцип работы поплавкового уровнемера

Плавучесть — это направленная вверх сила или подъемная сила, выталкивающая вверх погруженный в жидкость предмет. На любой предмет, погруженный в жидкость действует подъемная сила, равная по величине весу вытесненной жидкости.

Демонстрационный показ вытеснения, подъемной силы и кажущейся потери веса

На рисунке выше проиллюстрированы взаимоотношения между вытеснением, подъемной силой и весом, а также показано, как у предмета, погруженного в жидкость происходит кажущаяся потеря веса, соответствующая по величине весу вытесненной им жидкости.

На рисунке изображены: предмет цилиндрической формы, подвешенный на весах; большой сосуд, заполненный жидкостью до уровня переточной трубы; пустой сосуд размером поменьше для сбора вылившейся из большого сосуда жидкости, при условии вытеснения жидкости из большого сосуда. Вес предмета показан на шкале весов.

При погружении предмета в жидкость часть жидкости выливается в пустой сосуд. Изменение показания веса на весах указывает на то, что вес предмета уменьшается. Величина этой кажущейся потери веса равна весу жидкости, вытесненной в пустой сосуд.

Если вес предмета больше веса вытесненной им жидкости, предмет будет находится в погруженном состоянии, но потеря его веса будет по-прежнему равняться весу вытесненной им жидкости. Если предмет (при полном погружении) весит меньше, чем объем вытесненной им жидкости, предмет поднимется на поверхность и будет держаться на поверхности жидкости. Дрейфующий предмет будет плавать именно на том уровне, на котором вес вытесненной им жидкости будет точно равняться весу самого предмета.

Плавучесть на примере двух предметов

На рисунке выше проиллюстрировано явление плавучести на примере двух подвешенных предметов, спускающихся в резервуар с жидкостью. Предмет, находящийся слева, плавает: подъемная (выталкивающая) сила жидкости по величине больше веса предмета. Действие предмета, находящегося справа, подобно действию вытеснителя. По мере повышения уровня жидкости он будет погружаться в жидкость, поскольку выталкивающая сила жидкости по величине меньше веса предмета.

Сигналы перемещения поплавкового уровнемера в результате его подъема или снижения в соответствии с изменением уровня жидкости могут переводится в показания уровня с помощью ряда различных устройств, включая откалиброванные стержни; рычажные соединения; ленты (или цепи); шкивы и противовесы; канаты и скользящие стрелки-указатели; подъемные механизмы и механические выключатели.

Стержень со стрелкой-указателем и шкалой монтируются на внешней стороне резервуара. Поплавковый уровнемер, который закрепляется внизу стержня, виден в этом примере через отверстие, закрываемое крышкой, наверху резервуара. Любое изменение положения поплавка показывается смещением стрелки вдоль шкалы.

А также поплавок может быть подсоединен непосредственно к индикаторной стрелке с помощью рычажного соединения. Это механическое соединение выведено с выходом прямо на стрелку на индикаторном устройстве. При поднимании или опускании поплавка внутри резервуара рычажная передача смещает стрелку вдоль шкалы на индикаторе.

Поплавковые уровнемеры и область их применения

Измерение уровня различных жидкостей можно проводить разными способами. Один из способов измерения предполагает использование поплавка, который опускается на поверхность жидкости и частично погружается в нее. Чаще всего жидкости имеют достаточно однородную плотность, поэтому нет никакой разницы, в каком именно месте будет находиться поплавок — глубина его погружения будет одинаковой, значит и расстояние до поплавка тоже будет одинаковым. Попробуем разобраться, что это такое и зачем это нужно.

Какие бывают поплавковые уровнемеры

Поплавок, погруженный в жидкость, подвергается воздействию двух сил: силы тяжести и выталкивающей силы Последняя равна по значению силе тяжести, но противоположна ей по знаку. Силу тяжести вычисляют умножением погруженного в жидкость объема поплавка на плотность самой жидкости. Из этого становится понятно, что если будет изменяться плотность жидкости, то и поплавок будет погружаться на разную глубину, что будет приводить к появлению погрешности в измерении уровня жидкости.

Чтобы свести к минимуму эту погрешность, поплавок делают из максимально легкого материала, что сводит к минимуму влияние неоднородности жидкости. Второй способ уменьшить погрешность — сделать поперечное сечение поплавка как можно большим, чтобы он погружался в жидкость на минимальную глубину, благодаря чему измерения при помощи поплавкового уровнемера становятся максимально точными.

Простейшая схема поплавкового уровнемера

Поплавок соединяется со стрелкой указателя уровня через гибкую механическую связь, поэтому чтобы уровнемер смог правильно измерить уровень, необходимо чтобы поплавок своей массой мог обеспечить достаточное натяжение этой гибкой связи. С другой стороны, поплавок не может быть очень большим, потому что тогда придется увеличивать размеры всего уровнемера, что крайне нежелательно. Исходя из всего этого, для измерения уровня различных типов жидкостей изготавливают уровнемеры с разным размером и формой поплавка, а так же из разных материалов, что повышает точность измерения.

1 – поплавок
2 – трос
3 – шкала
4 – противовес

Типы поплавковых уровнемеров

Чтобы измерять уровень жидкостей, имеющих невысокую температуру и которые находятся под низким давлением, чаще всего применяют уровнемеры типа УДУ. Поплавковые уровнемеры этого типа имеют довольно высокий показатель точности, их погрешность составляет порядка четырех миллиметров, при этом глубина сосуда может достигать двадцати метров. Измерения можно производить при температуре от -50 градусов по Цельсию до +50 градусов по Цельсию, а избыточное давление может составлять от 1,5 до 3 кПа.

Недостатком этого типа поплавковых уровнемеров является то, что их установка не позволяет обеспечить высокую герметизацию резервуара, поэтому чаще всего их применяют для определения уровня нефтепродуктов.

В случаях, когда жидкость находиться под большим давлением, или если ее температура находится вне допустимого диапазона измерения ее уровня при помощи уровнемера типа УДУ, используют поплавковый уровнемер типа ПМП, в конструкции которого используется магнитный преобразователь. Точность измерения таким уровнемером достигает пяти миллиметров, а глубина емкости, в которой происходит измерение, может достигать шести метров.

Где применяются уровнемеры поплавкового типа

Поплавковые уровнемеры нашли самое широкое применение, ведь с их помощью можно точно измерять не только уровень достаточно однородных жидкостей, но и уровень так называемых двухфазных жидкостей. В этом случае применяются уровнемеры, в конструкции которых используются два поплавка, измеряющих жидкость определенной плотности.

Область применения таких уровнемеров очень широкая, их устанавливают на баках для контроля за уровнем воды в них, используют для контроля уровня воды нефтепродуктов в резервуарах и даже для слежения за количеством химических веществ в специальных хранилищах. С помощью поплавкового уровнемера можно контролировать не только степень заполнения водохранилищ, но и уровень воды в реках, отслеживать состояние коллекторов и отстойников.

На видео: принцип действия поплавкового уровнемера.

8.3. Поплавковые средства измерений уровня

Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона (рис. 12.2) обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80— 200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы. Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые (рис. 12.2, а) и камерные (рис. 12.,б), отличающиеся способом их установки на технологических аппаратах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров —10÷0÷10 мм, максимальный —200—0—200 мм. Класс точности 1,5. Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рис. 12., в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок — противовес» только при определенной глубине погружения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние равновесия системы «поплавок — противовес» описывается уравнением

, (12.1)

где G_г, G_п — силы тяжести противовеса и поплавка; S— площадь поплавка; h₁— глубина погружения поплавка; ρ_ж — плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство (12.1) нарушается и противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h₁. При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной h₁. Для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуаре применяют сельсинные системы передачи. Обычно ось сельсина-датчика кинематически связана с барабаном, вращение которого осуществляется в процессе перемещения троса, а ось сельсина-приемника — со счетным механизмом. В номенклатуру средств контроля уровня ГСП входит поплавковый уровнемер, предназначенный для измерения уровня нефтепродуктов в резервуаре.

Рис. 12..2. Схемы поплавковых уровнемеров

Уровнемер (рис. 12.2, г) представляет собой поплавок 1, подвешенный на перфорированной стальной (мерной) ленте 2. Для исключения горизонтальных перемещений поплавка предусмотрены направляющие струны 3. Отличительной особенностью уровнемера этого типа является то, что в нем осуществляется натяжение мерной ленты пружинным двигателем. Двигатель состоит из барабанов 5 и 6. Когда поплавок находится в крайнем верхнем положении, Мерная лента 2 сматывается на барабан — накопитель 4. При понижении уровня жидкости сила тяжести поплавка преодолевает силы трения в подвижной системе и усилие, создаваемое пружинным двигателем. В результате поплавок перемещается вниз. Перемещение поплавка вниз сопровождается вращением барабана-накопителя 4 и сматыванием ленты 6 пружинного двигателя с барабана 5 на барабан 7. При перемещении поплавка вверх Натяжение мерной ленты уменьшается и лента пружинного двигателя перематывается на барабан-накопитель 4. В процессе перемещения мерная лента вступает в зацепление со штырями мерного шкива 9, на оси которого укреплен счетный механизм 5, представляющий собой десятичный счетчик с наименьшей ценой деления 1 мм. Для передачи информации на расстояние к валу отсчетного устройства может быть подключен преобразователь угла поворота в электрический или пневматический унифицированные сигналы. Минимальный диапазон измерений 0—12 м, максимальный 0—20 м. Абсолютная погрешность измерения ±4 и ±10 мм.

Особенности, виды и принцип работы поплавковых уровнемеров

Самыми простыми и доступными уровнемерами для жидких сред считаются поплавковые уровнемеры. Они определяют уровень жидкости положением чувствительного элемента, входящего в состав конструкции.

Устройство поплавковых уровнемеров и принцип работы

Поплавковые уровнемеры сконструированы следующим образом: часть устройства погружена в жидкость, другая половина находится над ее поверхностью:

• Находящийся в воде элемент называется поплавком – это пустотелый предмет, на который, в соответствие с законом Архимеда, действует выталкивающая сила.
• Часть поплавкового уровнемера, не находящаяся в воде, является обрабатывающим сигнал устройством. Оно отслеживает вертикальные перемещения поплавка и передает показания движения на ряд различных устройств. Таким образом осуществляется непрерывное измерение уровня или сигнализация по контрольным точкам при достижении заданного объема жидкости в резервуаре.

По конструктивным отличиям можно выделить поплавковые уровнемеры узкого диапазона и поплавковые уровнемеры широкого диапазона.

Первые (рис.1, а), как правило, представляют собой устройства, состоящие из шарообразного поплавка, через штангу и сальниковое уплотнение соединенного с преобразователем угловых перемещений (П) в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Поплавок обычно имеет диаметр 80 — 100 мм, выполнен из нержавеющей стали и плавает на поверхности жидкости.

Рис.1. Поплавковые уровнемеры: а) – узкого диапазона, б) – широкого диапазона: 1 – поплавок, 2 – гибкий трос, 3 – шкала, 4 – противовес.

В поплавковых уровнемерах широкого диапазона (рис. 1, б) поплавок через гибкий трос связан с противовесом и отсчетным устройством, указывающим значения уровня жидкости в резервуаре.

При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок — противовес» только при определенной глубине погружения поплавка.

Виды поплавковых уровнемеров:

Поплавковые магнитные уровнемеры. В устройстве поплавок взаимодействует с магнитом. Любое отклонение поплавка от магнита регистрируется как изменение уровня.

РОС-501 датчики-реле уровня поплавковые	СУГ-М сигнализаторы уровня жидкости поплавковые	ПМП-052 датчики уровня поплавковые магнитные

Поплавковые магнитострикционные уровнемеры. Поплавок с постоянным магнитом внутри перемещается вдоль направляющего стержня, в котором натянута проволока из магнитострикционного материала (волновод). В волновод подаются токовые импульсы. В месте расположения магнита (поплавка) при взаимодействии магнитного поля с током, возникают импульсы продольной деформации, которые регистрируются пьезоэлементом вверху стержня. В данном случае регистрируется время прохождения импульса – оно прямо пропорционально расстоянию до поверхности.

Поплавковые механические уровнемеры. Поплавок управляет механическим переключателем (открывает, либо закрывает контакт) путем непосредственного контакта. Работают по принципу сообщающихся сосудов.

ДРУ-1ПМ датчик-реле уровня жидкости поплавковый	РО-1 датчики-реле уровня жидкости	РУ-1 датчики-реле уровня жидкости

Преимущества поплавковых уровнемеров

Главные преимущества поплавковых уровнемеров – это их точность, высокая степень повторяемости и простота конструкции. Также поплавковые уровнемеры отличаются низкой ценой и независимостью показателей измерений от химического состояния жидкости. Однако точности поплавкового уровнемера зависит от колебаний в жидкости, поэтому любые вибрации, например, плескания в емкости, могут исказить показания поплавка.