Ультразвуковые уровнемеры
Принцип действия ультразвуковых уровнемеров (УУ) основан на принципе локации. В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала).
Схема УУ показана на рисунке 3.10.
Функции источника и приемника ультразвуковых колебаний выполняет пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом в ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды и воспринимаются тем же пьезоэлементом.
Рисунок 3.10 — Схема ультразвукового уровнемера
Уровень вещества определяется из выражения:
где — скорость распространения ультразвука в данной среде, ;
— время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения, .
Преимуществом УУ является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня агрессивных, абразивных клейких, вязких, неоднородных, кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.
Радарные уровнемеры
Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения частотно-модулированных незатухающих колебаний от приемо-передающей антенны до поверхности измеряемой среды и обратно до антенны. Диапазон радиоволн составляет от нескольких ГГц до нескольких десятков ГГц.
Схема радарного уровнемера показана на рисунке 3.11 (а). Микроволновой генератор уровнемера формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону (линейный частотно-модулированный сигнал) — (см. рисунок 3.11, б). Этот сигнал излучается в направлении продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное время возвращается обратно в антенну. Излученный f1 и отраженный f2 сигналы смешиваются, в результате чего образуется новый сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигналов и пропорциональна времени t распространения радиосигнала, следовательно, расстоянию от антенны до измеряемого продукта.
Отраженный сигнал, несущий в себе информацию об уровне продукта, содержит также и различные шумовые и паразитные составляющие (волнение продукта, неполное отражение радиосигнала и его частичное поглощение поверхностью измеряемого продукта). Поэтому результирующий сигнал подвергают спектральному анализу, в результате которого фильтруются паразитные составляющие сигнала.
Основное достоинство радарных уровнемеров по сравнению с ультразвуковыми — это независимость показаний от характеристик газо-воздушного пространства над измеряемой средой (температура, влажность, наличие пыли, паров и т.д.). Это связано с тем, что скорость распространения электромагнитных высокочастотных радиоволн, в отличие от ультразвука, практически не зависит от характеристик и состава воздушной среды. Кроме того, скорость распространения электромагнитных волн примерно в миллион раз выше, чем скорость ультразвука. Поэтому в некоторых применениях инерционность ультразвуковых уровнемеров оказывается слишком большой [4].
Рисунок 3.11 — Схема радарного уровнемера
Ультразвуковой уровнемер
Ультразвуковой уровнемер — это прибор, измеряющий уровень, который является счетчиком непрямого действия. Под приборами непрямого действия подразумеваются устройства, которые определяют изменение уровня жидкости, не входя в непосредственный физический контакт с самой жидкостью.
Принцип работы ультразвукового уровнемера
Для того, чтобы измерять или контролировать уровень, ряд акустических контрольно-измерительных приборов включает в себя устройства, которые работают на основе принципа передачи звуковой энергии в форме звуковых волн. Свойствами звуковых волн, измеряющих уровень, является их способность отражаться или отталкиваться от поверхности; их время прохождения, т.е. количество времени, за которое волны доходят до поверхности, отражаются от поверхности и возвращаются; и их частота.
Транзитное время, или время прохождения звуковых волн прямо пропорционально расстоянию, которое должны пройти звуковые волны; чем больше расстояние, которое должны пройти звуковые волны, тем больше величина транзитного времени. Частотой называется количество звуковых волн в единицу времени. В контрольно-измерительной системе уровня, в которой используется ультразвук, частота, с которой воспроизводятся волн обычно предопределена тем, используется ли эта система для измерения заполненного или свободного объема. Например, ультразвуковые волны с радиочастотами (приблизительно 30 kHz) обычно распространяются в воздухе и отражаются жидкостями. Их часто используют для измерений свободного объема, которые затем могут быть преобразованы в показания уровня. Ультразвуковые волны более высокой частоты (приблизительно 35 kHz или выше) обычно используются для измерений заполненного объема, т.к. такие волны легко перемещаются в жидкой среде, но скорее всего поглощаются или отражаются воздушной средой.
На рисунке выше изображена упрощенная схема акустической системы, которая используется для непрерывного измерения уровня. Основными деталями этой системы является блок управления, акустический излучатель и приемник. Здесь имеется электрическое подсоединение блока управления к внешней цепи, посредством которого обеспечивается подача электрического входного сигнала на излучатель. Излучатель преобразует электрическую энергию в звуковую энергию в виде звуковых волн. В данном примере электрическая энергия преобразуется в звуковые волны такой частоты, при которой они будут проходить через воздушную среду, но будут отражаться от поверхности жидкости. Когда звуковые волны отталкиваются от поверхности жидкости, они затем возвращаются к приемнику, который преобразует звуковые волны обратно в электрическую энергию. Блок управления посылает на индикатор электрический сигнал, который прямо пропорционален величине транзитного времени. На индикаторе фиксируется показание, которое в свою очередь прямо пропорционально уровню жидкости.
Уровень жидкости увеличился и на индикаторе показание высокого уровня в емкости. При повышении уровня звуковым волнам требуется меньшее количество времени на то, чтобы пройти расстояние от излучателя до поверхности жидкости и обратно к приемнику: величина транзитного времени уменьшается. Соответственно, когда уровень жидкости понижается, величина транзитного времени увеличивается.
Иногда установка акустической системы наверху емкости может быть нежелательной. Некоторые жидкости испаряются, образуя пары, которые могут помешать проходу звуковых волн через воздушную среду, находящуюся выше уровня жидкости. В случаях возможного наличия в воздушной среде помех для звуковых волн, для непрерывного измерения уровня могут быть использованы высокочастотные ультразвуковые системы.
На рисунке выше акустическая система располагается на донной плоскости емкости. В этой системе используется высокочастотный звуковой сигнал, который проходит через жидкость и отражается от воздушной среды. В остальном, система работает по тому же самому принципу, что и система из предыдущего примера.
Читайте также
Радиоактивный уровнемер это прибор, измеряющий уровень жидкости, в котором управляемый пучок радиации посылается от одной стороны емкости к другой
Поплавковый уровнемер наполовину погружен в жидкость, наполовину находится над поверхностью жидкости
Буйковый уровнемер работает при помощи буйка, который входит в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью
Трубчатый уровнемер прозрачная вертикальная трубка, известная так же, как трубчатый уровнемер
Емкостный уровнемер емкостью называется способность материала накапливать электрическую энергию в виде электростатического поля
Акустические и ультразвуковые уровнемеры
В акустических и ультразвуковых уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями.
В уровнемерах, называемых акустическими, используется метод локаций уровня жидкости через газовую среду. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня жидкости, распространяется по газовой среде. Это обеспечивает универсальность по отношению к различным жидкостям, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежность первичных преобразователей, не контактирующих с жидкостью.
В уровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод, основанный на отражении ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости.
В зависимости от используемого параметра звуковой волны для измерения уровня жидкости различают частотный, фазовый и импульсный способы измерения уровня, а также некоторые их комбинации, такие, как импульсно-частотный, и др. Каждый из указанных способов, обладая общим для акустического (ультразвукового) метода измерения достоинствами, имеет свои преимущества и недостатки.
Акустические уровнемеры широко применяют для дистанционного измерения уровня жидкостей в различных объектах в химической, бумажной, пищевой и других отраслях промышленности. Уровнемеры этого типа могут быть использованы для измерения уровня различных жидкостей (однородных и неоднородных, вязких, агрессивных, кристаллизующихся, выпадающих в осадок), находящихся под давлением до 40 кгс/см2 (4 МПа) и имеющих температуру от 5 до 80° С. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением. Если жидкость, уровень которой необходимо измерять, будет находиться под вакуумметрическим давлением до 0,5 кгс/см2 (0,05 МПа), то акустические уровнемеры могут быть использованы.
Ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня только однородных жидкостей и широкого распространения в промышленности не получили. Однако ультразвуковые уровнемеры позволяют измерять уровень однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением.
В акустическом уровнемере ЭХО-1 генератор 9 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, преобразуемые в ультразвуковые при помощи акустического преобразователя 1, установленного на крышке резервуара. Распространяясь вдоль акустического тракта, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела сред и попадают на тот же преобразователь 1.
Рис. 19-6-1. Схема акустического уровнемера ЭХО-1.
Ультразвуковой уровнемер. В ультразвуковом уровнемере используется импульсный способ измерения уровня по отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости в этом случае является также время прохождения ультразвуковых колебаний от пьезометрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела сред (жидкость — газ) и обратно до приемника. Предел допускаемой основной погрешности ультразвукового уровнемера не превышает 2,5% диапазона измерения уровня жидкости,
Схема ультразвукового уровнемера
Классификация и характеристики электрических уровнемеров
К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Ниже рассмотрим основные виды электрических уровнемеров: емкостные уровнемеры, кондуктометрические (омические) уровнемеры и вибрационные уровнемеры, познакомимся с их различиями в работе и устройстве.
Емкостные уровнемеры
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Измерительная схема емкостного уровнемера приведена на рис. 1.
Рис. 1. Ёмкостной уровнемер: 1, 2 — электроды; 3 — электронный блок
В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.
Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков — погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1).
При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.
 |
 |
 |
| ИСУ-100И уровнемеры емкостные одноканальные | РОС-101 (-102) сигнализаторы уровня емкостные | СУ-100 сигнализаторы уровня емкостные |
Кондуктометрические уровнемеры
Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два.
Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания
В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.
Вибрационные уровнемеры
Вибрационные уровнемеры отличаются надежностью и широкой областью применения. Конструкция и принцип действия данных устройств снижает до минимума их восприимчивость к химическим и физическим свойствам измеряемого вещества. Также вибрационные уровнемеры показывают точные результаты при турбулентности, наличии пузырьков воздуха в жидких средах, и прочих неблагоприятных условиях работы.
Принцип действия вибрационного уровнемера основан на различии резонансных колебаний чувствительного элемента – камертонного резонатора в газовой (воздушной) среде и в жидкости (сыпучем материале). Вибрирующий элемент приводится в действие пьезоэлектрическим методом и вибрирует с механической резонансной частотой приблизительно 1200…1300 Гц. Пьезоэлементы закреплены механически и не подвергаются воздействию теплового удара. При погружении вибрирующего элемента в измеряемую среду частота изменяется. Это изменение частоты улавливается встроенным генератором и преобразуется в команду на переключение.
По вопросам приобретения и подбора электрических уровнемеров Вам достаточно позвонить по телефону
+7 (4812)209-311 или написать по электронной почте info@td-urovnemer.ru.