Принципы измерения уровня.
Уровнемеры, датчики и сигнализаторы уровня

Измерение уровня это определение верхнего положения жидких или сыпучих веществ в сосудах с помощью уровнемера. Различают непрерывное измерение уровня (градации уровня) с помощью уровнемера и точечное, дискретное с помощью сигнализатора или датчика уровня.

При непрерывном измерении уровень определяют в процентах от максимального уровню, высоты, обьема или другим единицам с помощью, как аналогового сигнала, так и цифрового сигнала.

Совмещение уровнемера и датчика уровня

Датчики и сигнализаторы уровня определяет достижение измеряемым материалом определенного уровня, например, для предотвращения сухого хода насоса или переполнения резервуара. Срабатывание датчика уровня проводит к переключению реле. Если сигнализатор уровня устанавливается на боковую стенку резервуара, следует учитывать скорость срабатывания сигнализатора, ориентируясь на производительность насоса.

Совмещенные устройства измерения уровня, состоящие из уровнемера со встроенным реле часто применяются там, где из соображений безопасности (угрозы утечки) неприменим монтаж на боковую стенку резервуара. Установка уровнемера осуществляется сверху, настройка срабатывания производится изменением уровня подвеса уровнемера. Такой способ установки уровнемера позволяет экономить средства на стоимости проектирования и монтажа.

Измерение уровня используется при выполнении различных задач. Выбор уровнемера зависит от того, какие среды необходимо измерять: жидкие или сыпучие вещества. Так же следует принимать во внимание физические и химические свойства измеряемых веществ, искробезопасность Ex ia, взрывобезопасность Ex d, защиту от переполнения, свойства резервуара и прочие.

Поплавковый датчик уровня

Как известно, тело обладающее меньшей плотностью, чем жидкость, всплывает. Таким образом, поплавок сигнализатора уровня всплывает, передавая перемещение через рычаг или гибкий кабель, который включает реле или перемещает потенциометр. Поплавок так же можно поместить в направляющую трубу. Положение поплавка можно определить бесконтактно с помощью индуктивного датчика или при помощи закрепленного на поплавке магнита, который включает магнитное реле или магнитострикционный датчик.

Вибрационный датчик уровня

Датчик уровня в виде металлической вилки или металлического стержня колеблется на частоте собственного резонанса. Колебания вилки или стержня осуществляется с помощью пьезоэлектрического преобразователя. При погружении в измеряемую среду с плотностью более плотности воздуха, изменяется частота и амплитуда колебаний. Это изменение фиксируется, и электронный блок выдается сигнал о срабатывании датчика уровня. Вибрационный датчик уровня не требует настройки и обслуживания, применим для всех жидкостей, даже при образовании отложений, турбулентности, воздушных пузырьках, не зависит от электрических свойств среды. Так же вибрационный датчик уровня применяется для измерения сыпучих материалов.

Ротационный датчик уровня

Вращающаяся на валу электродвигателя лопасть, одна или несколько, останавливается при контакте с сыпучим веществом, затем срабатывает реле, реагирующее на остановку вала электродвигателя. Частота вращения лопасти около 1 об/мин.

Лотовый электромеханический уровнемер

Измерительный лот, с калиброванным весом, опускается в силос. При достижении поверхности сыпучего вещества, растягивающее усилие на чувствительном элементе уровнемера уменьшается, в результате чего, вращение электродвигателя изменяется на обратное. Вес лота восстанавливается в исходном состоянии. По длине размотанного троса рассчитывается уровень сыпучего материала в силосе. Лотовый электромеханический уровнемер применяется в высоких силосах в условиях особенно сильного пылеобразования.

Уровнемеры гидростатические перепада давления

Измерение уровня с помощью измерения гидростатического уровня, а так же перепада давления, не зависит от свойств среды, ее относительной диэлектрической проницаемости, пенообразования, турбулентности и внутренних устройств резервуара, например, стойки и мешалки. При этом, недопустимо изменение плотности измеряемого вещества.

Уровнемер гидростатического давления

Гидростатическое измерение уровня в открытых резервуарах основано на определении величины гидростатического давления, которое производится столбом жидкости, расположенным над уровнемером. Измеренное таким образом давление, определяет высоту столба жидкости, расположенного над присоединением датчика давления. Измеренное давление, таким образом, определяет уровень жидкости.

Уровнемер перепада давления в емкостях под давлением

В закрытых емкостях под давлением, гидростатическое давление столба жидкости создается разностью давлений, гидростатического и давления над жидкостью. Эта разница давлений определяется как гидростатическое давление. Верхний датчик давления устанавливается над зеркалом жидкости, другой под зеркалом, внизу емкости, разница давлений определяет высоту столба жидкости в емкости.

Кондуктометрический датчик уровня

Кондуктометрический датчик уровня использует принцип определения достижения уровня, при возникновении электрического тока, после замыкания электрической цепи измеряемой средой. В этом случае сопротивление (проводимость) между электродами изменяется при наличии или отсутствии измеряемой среды.

Использование переменного электрического тока в кондуктометрических датчиках уровня позволяет избежать коррозии электродов и электрохимических реакций измеряемой среды. Для уверенного срабатывания кондуктометрического сигнализатора уровня, при возмущении поверхности жидкости, предусмотрена задержка срабатывания. Кондуктометрический датчик уровня с одним электродом в емкости из проводящего материала может быть использован для определения наполнения или опорожнения, с двумя электродами для наполнения и опорожнения, с тремя электродами, в емкости из диэлектрического материала для наполнения и опорожнения емкости. В случае одного электрода проводящая стенка емкости служит вторым электродом.

Простой и дешевый способ измерения уровня для токопроводящих жидкостей, таких как вода, сточные воды, жидкие продукты питания, сыпучие водосодержащие продукты питания.

Емкостной уровнемер

Емкостное измерение уровня основано на принципе изменения электрической емкости между электродами ёмкостного уровнемера, когда измеряемая среда заполняет пространство между ними. Это изменение зависит от относительной диэлектрической проницаемости ε (сокр. DK) среды. Если ε постоянна, измеренная электрическая емкость будет пропорциональна уровню погружения электродов емкостного уровнемера в измеряемую среду. В этом случае можно непрерывно определять уровень.

Оптоэлектронный датчик уровня

Отражении или полное поглощение света происходит при удалении или погружении оптоэлектронного сигнализатора уровня в измеряемую среду. Датчик уровня состоит из инфракрасного полупроводникового излучателя и приемника. Если стеклянная призма датчика уровня не погружена в измеряемую среду, свет отражается в призме и возвращается в приемник. Если призма погружается в жидкость, свет проходит через жидкость и не достигает приемника. Электронный блок определяет наличие жидкости и срабатывания датчика уровня. Недостатком этого метода является чувствительность к загрязнению датчика уровня.

Ультразвуковой уровнемер

Измерения уровня с помощью ультразвука основаны на зависимости времени прохождения ультразвука на пути от излучателя до приемника, от расстояния, которое проходит ультразвуковой сигнал. Излучатель ультразвукового уровнемера посылает импульс ультразвука, который отражаясь от поверхности измеряемой среды, возвращается в приемник. Измеренное время и известная скорость ультразвука в среде распространения позволяют определить расстояние, которое прошел ультразвук. Это расстояние вычитается из высоты резервуара и определяет уровень измеряемой среды. Из-за невозможности одновременно излучать и принимать ультразвук, вблизи излучателя ультразвукового уровнемера находится так называемая «мертвая зона», в которой невозможен прием ультразвукового сигнала. Это определяет минимальное расстояние между излучателем и верхним предельным уровнем измерения.

Ультразвуковой метод измерения уровня является бесконтактным, не зависит от свойств измеряемой среды, таких как, относительная диэлектрическая проницаемость, проводимость, плотность, влажность.

Микроволновой датчик уровня

Измерения с помощью электромагнитных волн основаны на принципе прохождения электромагнитных волн от излучателя микроволнового датчика уровня к приемнику. Сигнал от излучателя, прошедший через пустую емкость, регистрируется приемником, а при заполненной емкости поглощаются измеряемой средой. В металлических стенках емкости предусмотрены присоединения, в которые установлены излучатели и приемники. Поскольку микроволновой метод бесконтактный, приемник и передатчик можно устанавливать в различных емкостях, трубопроводах, шахтах, насыпях. В случае неметаллической емкости возможно измерение через стенку емкости. Микроволновые сигнализаторы уровня применяют для определения засорения, наличия потока, граничного положения, позиционирования, считывания, измерения вне процесса, следовательно износоустойчивы и не требуют обслуживания. Типичные применения - древесная щепа, бумага, картон, известь, гравий, песок. Температура процесса и давление в местах установки не должны превышать предельных значений.

Радарный уровнемер

Принцип действия радарного уровнемера основан на излучении антенной высокочастотного радиоимпульса, который отражается от поверхности измеряемой среды, при условии, что относительная диэлектрическая проницаемость среды ε, не меньше предельно допустимой. Минимальное значение для радарного уровнемера ε=1,4. Время между излучением и приемом импульса пропорционально пройденному расстоянию. Заданная геометрия емкости позволяет рассчитать уровень измеряемой среды, измеренный радарным уровнемером.

Волноводный рефлексный радарный уровнемер

Волноводный рефлексный радарный уровнемер использует принцип распространения высокочастотного импульса по металлическому волноводу. При падении волны на поверхность измеряемой среды, в связи с изменением волнового сопротивления, часть электромагнитного импульса отражается назад, в приемник. В электронном блоке рефлекс - радарного уровнемера измеряется временная задержка между излученным и принятым импульсом, а так же вычисляется расстояние, которое прошел высокочастотный импульс, на основании чего рассчитывается уровень измеряемой среды. Минимальное значение относительной диэлектрической проницаемости среды для волноводного радарного уровнемера ε=1,4. Волноводный рефлексный радарный уровнемер применяется для измерения жидкостей, в том числе, турбулентных, склонных к пенообразованию, измерения не зависят от давления, температуры, проводимости, влажности, парообразования.

Радиоактивный датчик уровня

Радиоактивное измерение уровня основано на принципе проникновении гамма-лучей через измеряемую среду от источника к детектору излучения. Источник гамма-лучей, цезиевый или кобальтовый, излучает радиоактивные лучи, которые проникая через измеряемую среду, поглощаются и ослабляются. Какие - либо меры по открытию емкости или ее стенок не требуются. Измерение бесконтактное и применяется в тяжелых условиях, таких как коррозионные, агрессивные, абразивные среды.