Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержка уровня связано с условиями безопасной работы оборудования. Уровнемеры широко используются в пищевой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, при производстве медикаментов и пищевых продуктов. Уровнемеры применяются или для контроля за отклонением уровня от номинального и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, или для определения количества вещества (в сочетании с известными размерами емкости) и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. Большую группу составляют сигнализаторы уровня, в которых выходной сигнал возникает при достижении уровнем верхнего или нижнего предельных значений.
В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передачи показаний, то уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательные стекла). При необходимости дистанционного измерения уровня применяются более сложные уровнемеры: гидростатические, валеры и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические. Разнообразие принципов действия и конструктивных исполнений уровнемеров обусловлено их использованием для измерения уровня воды, растворов и взвесей, нефтепродуктов, границ раздела сред, содержащих взвеси, сыпучих тел в различных отраслях народного хозяйства. Кстати, измерители контроля уровня вы можете приобрести на страницах нашего специализированного сайта.
Все упомянутые фирмы, производящие средства контроля и автоматизации, выпускают и уровнемеры. Так, фирма Siemens выпускает четыре типа сигнализаторов уровня: ультразвуковые ULS, емкостные CLS, с вращающими лопастями PLS и вибрационные VLS, предназначенные для сигнализации уровня жидких и сыпучих сред, границ их раздела. Кроме того, эта фирма выпускает ультразвуковые, радарные, емкостные и гидростатические уровнемеры. Существуют приладобудівні фирмы, в основном специализируются на выпуске разных типов уровнемеров: НПП «Сенсор», ЗАО «Альбатрос», фирма VEGA, фирма VALCOM и др Некоторые разновидности наиболее распространенных уровнемеров рассматриваются ниже.
Вопрос № 2
Уровнемеры с визуальным отсчетом
Такие уровнемеры основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), что сочетается с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара (рис. 11.1). При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нане сены вертикальные горения канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.
Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разность плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемого разницей температур (особенно если жидкость в резервуаре имеет высокую температуру, а указательный стекло находится на значительном расстоянии). Разница плотностей приводит к различию уровней в резервуаре h 1, и указательном стекле h 2 (Уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем); при этом абсолютная погрешность измерения может быть вычислена по формуле
где р 1 и р 2 — плотности жидкости в резервуаре и указательном стекле.
Рис. 11.1. Схема уровнемера с визуальным отсчетом
Погрешность может достигать существенных значений, поэтому с целью ее уменьшения требуется тепловая изоляция уровнемера, или продувания его жидкостью из резервуара перед отсчетом.
Вопрос № 3
Гидростатические уровнемеры
В этих рівнемірах измерения уровня Н жидкости постоянной плотности р сводится к измерению гидростатического давления р, создаваемого жидкостью, причем
(11.1)
Измерения высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в емкостях, находящихся как под атмосферным, так и под отличным от него давлением. На рис. 11.2, а представлена схема зонда серии MPS фирмы Siemens. Зонд представляет собой трубку 1, внутренняя полость которой сообщается с жидкостью. Таким образом, давление внутри трубки совпадает с давлением жидкости. В нижней части трубки 1 находится измерительная мембрана из нержавеющей стали. Ее деформация вызывает изменение сопротивления тензомоста. Измерительная мембрана, тензопреобразователь и электроника защищены от измеряемой среды колпаком 2. Вентиляционная трубка соединена с пространством под измерительной мембраной и атмосферой. Мягкая трубка 3 может иметь длину до 20 м, в ней размещены несущий трос а, экранированные токовые выводы бы, вентиляционная трубка в диаметром 1 мм. Зонд выдерживает перегрузки до 0,6 МПа, выходной сигнал составляет 4 … 20 мА, погрешность не превышает ± 0,3%.
Рис. 11.2. Схемы гидростатических уровнемеров:
а — погружного зонда: 1 — трубка; 2 — колпак; 3 — мягкая трубка; б — дифманометра с открытой мембраной; 1 — мембрана; 2 — тензопреобразователь; 3 — полость статического давления
Практически все фирмы, выпускающие рассмотрены тензометрические (пьезометрические) преобразователи разности давлений производят дифманометри-уровнемеры с открытой мембраной, например «Метран-43-ДГ», «Метран-43Ф-ДГ, рис. 11.2, б. Вес столба жидкости действует на мембрану 1, жесткий центр мембраны соединен с рычагом мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы) 2. Если резервуар находится под давлением, то газовая часть резервуара соединяется с полостью статического давления 3. В упомянутых преобразователей при верхнем пределе измерения от 4 до 250 кПа выходной сигнал составляет 0 … +5; 4 … 20 мА, а предел допускаемой приведенной погрешности равен ± 0,25; ± 0,5%.
Если в трубке, соединяющей газовое пространство над жидкостью с полостью статического давления преобразователя, образуется конденсат, то для измерения уровня используются дифманометри с дополнительными устройствами для стабилизации уровня конденсата. Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется діфманометріческім. Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости преобразуется в давление воздуха, называется пневмоуровнемером. Разновидностью пневмоуровнемера есть барботажниі уровнемер, в котором воздух, подаваемый от постороннего источника, барботируют через слой жидкости.
Діфманометріческіе уровне мероприятия. Схема подключения дифманометра открытого резервуара, находящейся под атмосферным давлением, изображена на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Схема подключения дифманометра при измерении уровня в открытом резервуаре:
1 — уравнительный сосуд; 2-дифманометр
Обе импульсные трубки дифманометра 2 заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разницу давлений р 1 и р 2, действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (11.1) можно записать выражения для этих давлений:
Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, что выражается через контролируемый уровень Н
Если плотности? 1 и? 2 жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если h] = H 2, то
где 
С (11.2) и (11.3) видно, что діфманометріческій уровнемер измеряет «весовой» уровень, то есть его показания будут меняться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях также появится, если разница плотности? 1 и? 2 в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (11.3) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «-») будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н. Для чего на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд 1. Сосуд и импульсная трубка заливаются жидкостью до уровня 00, принятого за начальную отметку шкалы уровнемера. Необходимость установки уравнительного сосуда легко объяснить с помощью рис. 11.4. Предположим, что при R = 0 уровень жидкости в минусовой импульсной трубке соответствует линии 00 (очевидно, что убрать минусовую импульсную трубку и просто соединить минусовую камеру дифманометра с атмосферой нецелесообразно, так как в этом случае при 
на дифманометр будет действовать перепад 
то есть диапазон измерения дифманометра будет использован не полностью).
Рис. 11.4. Схема образования погрешности при отсутствии уравнительного сосуда
При увеличении Н возрастать давление р 1, в плюсовой (нижней) камере дифманометра, что вызовет сжатие плюсовой (нижней на рис. 11.4) мембранной коробки. Согласно принципа действия дифманометра это приведет к расширению и увеличению объема мембранной коробки в минусовой (верхней на рис. 11.4) камере (изменение объема коробок на рис. 11.4 заштрихована). Очевидно, что такой же объем жидкости будет вытолкнут из верхней камеры в импульсную линию, что приведет к увеличению уровня в ней? H.
При этом перепад, действующий на дифманометр, 
Поскольку 
(11.3), показания уровнемера будут заниженными, причем абсолютная погрешность измерения увеличивается с увеличением контролируемого уровня Н. Установкой уравнительного сосуда большого диаметра можно уменьшить? H, так как один и тот же объем жидкости, виштовхнутою с минусовой камеры дифманометра, в широком сосуде вызовет меньшее изменение уровня, чем в тонкой импульсной трубке.
При большой высоте уровня жидкостей иногда уравнительные сосуды не устанавливаются вообще, так как в этом случае относительная погрешность? H / H незначительная (например, в баках хімочіщенной воды).
В случае измерения уровня агрессивной жидкости в импульсных линиях устанавливаются разделительные устройства. При этом дифманометр и импульсные трубки ниже разделительных устройств заполняются неагрессивной жидкостью.
Самой простой схемой измерения уровня жидкости в резервуаре под давлением представлена на рис. 11.5 схема измерения уровня в барабане котла с использованием однока мерного уравнительного сосуда. Урава ный сосуд 1 подсоединяется к парового пространства, причем и сосуд и труба 2 тепловой изоляции не покрываются, что обеспечивает постоянство уровня за счет стока излишков конденсата в барабан. Трубка 3 подключается непосредственно к водяному пространству барабана. Выражение для разности давлений? Г, измеряемого дифманометром 4, может быть легко получено из-за давления, создаваемые в плюсовой г 1 и негативный г 2 камерах дифманометра:
Рис. 11.5. Схема уровнемера с однокамерным уравнительным сосудом:
1 — уравнительный сосуд; 2, 3 — импульсные трубки; 4 — дифманометр
где? в — плотность воды в уравнительный сосуд и импульсной трубке 2;
г б — Давление в барабане.
Давление р 2 представляет собой г б и сумму гидростатических давлений столба жидкости h в барабане, который имеет плотность? ‘, столба жидкости H 0 в импульсной трубке 3 плотностью? в и столба пара в барабане высотой Н — h и плотностью? «:
Таким образом, перепад Ар, действующий на дифманометр, опреде отделяется выражением:
(11.4)
Из (11.4) легко заметить, что показания уровнемера зависят не только от текущего значения, но и от плотности воды? ‘ и пара? «, которые в свою очередь зависят от температуры и давления среды в барабане. Поэтому расчет шкалы дифманометрів-уровнемеров производят на рабочее (номинальное) давление в барабане. Кроме того, на результат измерения влияет изменения плотности воды? в в импульсной трубке , так как при этом изменяется гид ростатіческое давление столба высотой Н в импульсной трубке 2, в то время как давление р 1 должно оставаться постоянным. Это может происходить при изменении температуры окружающей среды или температуры среды в барабане.