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 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 = V_жρ _жg, где V_ж — объем погруженной части поплавка, ρ _ж — плотность жидкости.

Объем V_ж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Δρ _ж изменяется объем погруженной части на ΔV_ж, что приводит к изменению осадка, т.е. к появлению дополнительной погрешности. Выражение для ΔV_ж можно получить в виде

Таким образом, объем погруженной части V_ж, 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.

Уровнемеры УБ предназначены для измерения уровня невязких и вязких, невыпадающих в осадок, не кристаллизующихся сред при давлении — (4. 16) МПа и температурах от -200 до 200 °С, плотность среды (600. 2500) кг/м3. Верхние пределы измерений выбираются из ряда от 0,02 до 16 м, основная погрешность ±1; 1,5%. В уровнемерах для химических производств с пневматическим выходным сигналом типов УБК-1 и ДБУ-1 используется другой тип вывода от буйка — с помощью торсионной трубки, к выводу которой крепится заслонка пневмопреобразователя. Уровнемеры ДБУ-1 используются на средах с температурой 5. 230 °С при давлении до 2,5 МПа и плотностью 700. 1410 кг/м3. Верхний предел измерения (0,4. 6) м, основная погрешность ±2,5 %.

Датчики уровня

Принцип работы

Механические и магнитные поплавковые уровнемеры

Принцип действия основан на замыкании поплавком контактов, расположенных на различных уровнях направляющего стержня. В магнитных поплавковых уровнемерах используются герконы, а в механических – микровыключатели.

Преимущества

Недостатки

• контактный метод, при выборе поплавка необходимо учитывать: химическую совместимость со средой, плавучесть, вязкость, плотность и температуру
• не подходит для измерения уровня очень вязкой жидкости, шлама
• а также жидкости, которая прилипает к поплавку и стержню
• или содержит металлические кусочки, которые могут вызвать ложные срабатывания магнитных выключателей.

Магнитострикционные уровнемеры

Это поплавковые уровнемеры непрерывного действия, в которых используются магнитострикционный эффект. 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. Время прохождения импульса пропорционально расстоянию до поверхности.

Буйковые уровнемеры

На частично погружённый в жидкость буёк действует выталкивающая сила Архимеда, пропорциональная глубине погружения.

Ультразвуковые уровнемеры (Ultrasonic)

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на измерении времени распространения звуковой волны высокой частоты (20-200 кГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения уровня вязких жидкостей и сыпучих материалов.

Недостатки

• звуковой сигнал не может распространяться в вакууме
• на показания оказывают влияние: температура, влажность, давление, турбулентность, пена, пар, изменение концентрации жидкости.

Микроволновые радарные уровнемеры (Radar)

Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения электромагнитной волны (радиоволны) сверхвысокой частоты (1-30 ГГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Радары подходят для использования во влажной, туманной и пыльной среде, а также при переменной температуре.

Импульсный метод – измерение времени прохождения импульса до поверхности и обратно – очень сложно реализовать, т.к. это время измеряется в наносекундах.

Более распространён способ непрерывного линейного частотного модулирования радиосигнала — FMCW (Frequency Modulated Continuous-Wave). При этом способе излученный и отражённый сигналы смешиваются, и образуется сигнал, частота которого равна разности частот этих сигналов. Эта разность пропорциональна расстоянию от антенны до поверхности.

Преимущества

• радиоволны могут распространяться и в вакууме, на них не влияет температура, давление, влажность и пыль.

Недостатки

• электромагнитные волны поглощаются (не отражаются) диэлектриками (пластмасса, стекло, бумага и т.д.)
• высокая цена (чем выше частота, тем точнее измерения и тем дороже).

Гидростатическое измерение уровня

Используется зависимость давления столба жидкости от уровня. Давление столба жидкости измеряется с помощью дифференциальных датчиков давления — один датчик измеряет давление на дне резервуара, а другой – давление над поверхностью жидкости.

Емкостные уровнемеры (Capacitance)

В резервуар опускается конденсатор, представляющий собой длинную трубку с металлическим стержнем внутри. Вместе с резервуаром заполняется и трубка — из-за разной диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха ёмкость конденсатора изменяется пропорционально уровню.

В качестве опорного электрода (внешних обкладок конденсатора) могут использоваться стенки резервуара.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Используются для контроля уровня в проводящих жидкостях. В резервуар опускается пара электродов, и как только уровень повышается так, что электроды оказываются погружёнными в жидкость – уменьшается сопротивление между электродами и срабатывает выключатель. Для контроля нескольких уровней используются несколько пар электродов разной длины.

Вибрационные сигнализаторы уровня (Vibrating Switch)

Применяются для сигнализации уровня жидких и сыпучих веществ. Используется эффект камертона – в резонаторе, имеющем форму вилки, пьезоэлектрическим способом возбуждаются механические резонансные колебания, которые затухают и гасятся при погружении резонатора в сыпучее вещество.

Как выбрать

Измеряемая среда

• Измеряемая среда (жидкость, шлам, ил, сыпучее и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Электрическая проводимость
• Плотность
• Вязкость
• Диэлектрическая проницаемость
• Прилипает к зонду
• Содержит металлические включения
• Есть пена на поверхности.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Технология

• Хранение
  • жидкости
  • сыпучего вещества
• Сепарация (определение уровня разделения несмешивающихся жидкостей)
• Процесс (перемешивание, нагрев)
• Реактор (химический процесс)
• Измерение уровня
  • Непрерывное
  • Дискретное (сигнализация уровня), количество уровней
• Способ измерения уровня
  • Контактный:
    • поплавковый
    • буйковый
    • емкостной
    • гидростатический
  • Бесконтактный:
    • радарный
    • ультразвуковой
    • радиоактивный
• Конструкция резервуара
  • Наличие оборудования в ёмкости (циркуляционный насос, мешалка, нагреватель и т.п.)
  • Размеры
  • Материал
  • Верх (открытый, форма крышки)
  • Форма дна
  • Расположение входных и выходных труб
  • Место установки датчика, присоединение (фланцевое, врезное).

  Измерение

  • Диапазон измерения уровня
  • Погрешность измерения.

  Преобразователь

  • Питание
  • Индикатор
  • Место установки
  • Кабельный ввод
  • Выходной сигнал:
    • Токовый 4..20 мА
    • Релейный выход
    • Полевая шина:
      • HART
      • PROFIBUS PA
      • Foundation Fieldbus.