Датчики уровня емкостные акустические и ультразвуковые реферат курсовая
Обновлено: 03.07.2024
Резервуары представляют собой весьма многочисленную группу технологических объектов, которые являются принадлежностью нефтяных промыслов, резервуарных парков, раздаточных и перевалочных баз, нефтехимических и химических предприятий. Во всех случаях в резервуарных парках выполняются две основные задачи − учет и хранение жидкости.
Учет нефти и нефтепродуктов представляет собой измерение их объема или массы. В России принято измерять массу нефти и нефтепродуктов. Измерение массы в резервуарах может быть выполнено двумя способами:
1) измерением уровня нефти и нефтепродуктов и плотности их с последующим вычислением массы;
2) непосредственным измерением массы жидкости.
На нефтяных промыслах, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах ряд технологических процессов связан с отстоем жидкости в емкостях открытого и закрытого (герметичного) типов. Контроль хода технологического процесса в этих емкостях предполагает необходимость измерения уровня жидкости и уровня раздела фаз.
Приборы для измерения уровня жидкости можно классифицировать по следующим признакам.
По назначению приборы можно разделить на три группы:
1) сигнализаторы, контролирующие предельные значения уровня;
2) уровнемеры, непрерывно измеряющие значение уровня;
3) измерители раздела двух сред.
По принципу действия приборы можно разделить на механические, пьезометрические, электрические, акустические и радиоактивные. Принцип действия приборов в значительной степени определяется свойствами измеряемой среды, поэтому приборы в указанных группах, в свою очередь, подразделяются по устройству.
Уровнемер Взлет УР
Уровнемер Взлет УР
1. Назначение уровнемера
2. Технические характеристики
- измерение дистанции до границы раздела сред и уровня жидкости;
- определение среднего уровня и перепада уровня при двухканальном исполнении;
- определение наполнения емкости по уровню;
- определение объема жидкости, а также наполнение по объему при вводе в прибор объемно-уровневой характеристики емкости;
- измерение значения температуры в створе акустической системы (АС) при комплектовании ее термопреобразователями сопротивления (ТПС);
- индикацию измеренных, расчетных, установочных, архивированных параметров, текущей даты и времени на встроенном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ);
- вывод результатов измерений в виде импульсно-частотных, токовых сигналов и логических сигналов;
- вывод измерительной, диагностической, установочной и архивной информации по последовательным интерфейсам RS-232 и RS-485 или по интерфейсу Ethernet;
- архивирование результатов измерений в часовом и суточном архивах, в интервальном архиве с устанавливаемым интервалом архи-вирования, а также - данных об отказах и нештатных ситуациях в специальных архивах;
- автоматический учет изменения скорости распространения ультра-звука при изменении состава либо параметров газовой среды с помощью репера или ТПС;
- сохранение установочных и настроечных параметров в энергоне-зависимой памяти;7
- возможность программного конфигурирования системы измерения с учетом особенностей монтажа уровнемера на объекте;
- автоматический контроль и индикацию наличия неисправностей уровнемера и нештатных ситуаций;
- защиту архивных и установочных данных от несанкционированного доступа.
Основные технические характеристики уровнемера:
- Количество каналов измерения……. 1 или 2
- Диапазон измерения уровня, мм . от 0 до 14200
- Наибольшее значение измеряемой дистанции, мм………. 15000
- Наименьшее значение измеряемой дистанции, мм. 1400, 800
- Напряжение питания постоянного тока, В. 24
Уровнемер Взлет УР
Потребляемая мощность, Вт. не более 20
- Средняя наработка на отказ, ч. 75000
- Средний срок службы, лет. 12
Условия эксплуатации и степень защиты приведены в таблице:
3. Метрологические характеристики
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения уровня ±4 мм.
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения уровня ∆ в зависимости от условий эксплуатации определяются по эмпирической формуле:
где G – модуль температурного градиента газовой среды вдоль оси пьезоэлектрического преобразователя, °C/м;
D – измеренное значение дистанции до поверхности раздела сред, м;
DR – дистанция до репера, м. Для АС с ТПС DR=0.
Значение температурного градиента G определяется по формуле:
где – температура газовой среды около пьезоэлектрического преобразователя, °С;
– температура газовой среды у поверхности раздела сред, °С.
4. Структурная схема двухканального уровнемера
Рис. 1.1. Общая структурная схема уровнемера ВЗЛЕТ УР
Уровнемер Взлет УР
Уровнемер состоит из блока измерительного цифрового и одной или двух акустических систем с пьезоэлектрическими преобразователями. Кроме того, в состав уровнемера входят блоки коммутации и источник вторичного питания.16
Пьезоэлектрический преобразователь акустической системы предназначен для излучения и приема ультразвуковых колебаний.
Для обеспечения точности измерений АС комплектуется ТПС либо специальным реперным отражателем.
Блоки коммутации предназначены для соединения кабелей связи.
Количество АС, входящих в состав уровнемера, зависит от вида исполнения прибора.
Основными элементами БИЦ являются платы измерителя и вычислителя.
Измеритель обеспечивает зондирование поверхности жидкости (формирует зондирующие импульсы для ПЭП, принимает и усиливает сигналы от ПЭП), измерение времени прохождения УЗС в прямом и обратном направлении и информационный обмен с платой вычислителя.
Вычислитель осуществляет расчет вычисляемых параметров, информационный обмен с платой измерителя и внешними устройствами, архивирование информации, управляет работой электронных модулей внешних связей, жидкокристаллического индикатора и обеспечивает работу клавиатуры. Для обеспечения внешних связей уровнемера на плате вычислителя установлен электронный комбинированный модуль универсального выхода 0 и последовательных интерфейсов RS-232 и RS-485.
Кроме того, по заказу на плату вычислителя дополнительно можно установить до двух электронных сервисных модулей внешних связей:
- один или два 4-канальных модуля универсальных выходов;
- модуль токового выхода;
Уровнемер Взлет УР
Управление работой уровнемера и индикация измерительной, установочной, диагностической, архивной информации обеспечивается с помощью клавиатуры и графического ЖКИ. Период обновления текущей информации на экране ЖКИ составляет 1 с.
Рис. 1.2. Датчик уровнемера У-1500
Уровнемер Взлет УР
Измеритель представляет собой электронный блок, собранный в унифицированном корпусе. На лицевой панели размещены: цифровой дисплей, кнопки управления, тумблер питания, индикатор наличия питания "СЕТЬ", индикатор световой сигнализации "ТРЕВОГА".
На задней панели размещены разъемы: сетевой ХЗ, искробезопасной цепи для подключения датчиков X1, аналогового и цифрового выходов Х2, выходных цепей ВСУ и НСУ Х4, а также держатель предохранителя, клемма заземления.
Внутри корпуса установлены печатные платы, трансформатор и модуль искрозащиты. На печатной плате дополнительно может устанавливаться плата интерфейса RS-485.
Измеритель устанавливается в помещении в настольном варианте или в щите.
Уровнемер Взлет УР
Принцип действия уровнемера заключается в измерении интервала времени, необходимого для прохождения сигнала ультразвуковой волной расстояния от поплавка, положение которого определяется уровнем жидкости в резервуаре, до пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на уровне крышки люка резервуара, и пересчете этого интервала в уровень жидкости. Пересчет производится путем вычитания вышеуказанного расстояния из высоты резервуара. Сигнал запроса (для краткости так будем называть электрический сигнал в виде прямоугольного импульса, который направляется на катушку индуктивности, расположенной в поплавке), выработанный микроконтроллером, попадает на катушку индуктивности и вызывает его кратковременные колебания, а вместе с ним и колебания поплавка и датчика. Полученный посредством этих колебаний ультразвук, поднимаясь по датчику, через некоторое время, дойдя до крышки люка резервуара, улавливается пъезоэлементом. Затем выработанный пъезоэлементом электрический сигнал через усилители приходит одновременно на опорный вход компаратора и на вход пикового детектора. Последний сохраняет значение его амплитуды и с приходом следующего сигнала отражения подаёт его на вход компаратора. Таким образом, этот сигнал не проходит на микроконтроллер, если его амплитуда меньше амплитуды предыдущего сигнала отражения, тем самым исключается возможность попадания на вход микроконтроллера случайных шумов, который он может воспринять как полезный сигнал. После прохождения компаратора сигнал отражения с помощью одновибратора приобретает требуемую длительность и поступает на микроконтроллер, программа в котором по измеренному промежутку времени вычисляет значение текущего уровня и выдаёт его на индикатор, на выход RS-485 и на аналоговый выход. При выходе текущего значения уровня за заданные пределы, микроконтроллер также направляет сигнал на звуковую и световую сигнализацию прибора. Одновременно с этим микроконтроллер опрашивает и сканирует клавиатуру, с помощью которого управляется прибор.
Логическая часть измерителя реализована на однокристальном PIC-микроконтроллере PIC16C65A. Микроконтроллер PIC16C65A относится к семейству однокристальных PIC (Periferial Interface Controller) микропроцессорных устройств со встроенными ПЗУ и ОЗУ на базе КМОП фирмы Microchip Technology Inc.
работы помпы. В основе работы лежат известные физические принципы:
различная плотность сред, отражение от поверхности, разность
Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль
за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных
аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня
можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям
технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей
высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более
точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые
только для сигнализации предельных значений уровня.
Для из мерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые,
гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения
уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — ем костные и
В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности
жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в
перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок,
изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее
устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов.
Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых
В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в
жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на то м,
что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая
сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной
буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения
буйка, т. е. от уровня в емкости. Т аки м образом, в буйковых уровнемерах
измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему
выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от
измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах буек передает
усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал первого
уровнемера — унифицированный пнев матический, второго —
унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).
Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах
изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и
изменением передаточного отношения рычажного механизма
Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в
жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное
глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения
уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для
измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов
При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен
гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально
При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается
разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет
заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью.
При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут
забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают
сжатым воздухом. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым
воздухом. При небольшом расходе воздуха его давление в минусовой камере
оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой —
давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет
равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно,
Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической
проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный
преобразователь ем костного прибора представляет собой электрод
(металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной
металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор.
Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его
изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет
изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической
Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и
Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для
повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонт альном
Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих
материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-
В радиоизотопном уровнемере источник и приемник излучения
подвешены на стальных лентах , на которых они могут перемещаться в
трубах по всей высоте бака . Ленты намотаны на барабан, приводимый в
Если измерительная система (источник и приемник у-лучей) расположена
выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от
приемника по кабелю на блок управления будет приходить сильный сигнал.
По этому сигналу электродвигат ель получит команду на спуск
измерительной системы. При снижении ее ниже уровня среды поглощение
Y-лучей резко увеличится, сигнал па выходе приемника уменьшится, и
электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.
Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать
уровень в ем кости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании
около измеряемого уровня). Эт о положение в виде угла поворота ролика
преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал —
Действие уровнемеров этого типа основано на измерении врем ени
прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости
и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится
датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер
называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым. В
первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень
Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых
импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени
прохождения им пу льсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и
преобразования этого времени в унифицированный электрический сигн
Указатель уровня топлива в баке автомобиля (рисунок 1).
электромагнитный, логометрического типа. Прибор состоит из датчиков,
установленных в топливных баках, и прием ника типа 13.3806,
расположенного на щитке прибора. Датчик указателя пред ставляет собой
реостат, изменяющий сопротивление в зависимости от уровня топлива в
баке, а приемник — электро магнитный лагометр с неподвижными
катушками и подвижным постоянным магнитом, связанным со стрелкой.
1- реостат; 2-постоянный магнит; 3,5-7 – катушки; 4 – стрелка;
8 – предохранитель; 9 – выключатель зажигания; 10 – аккумулятор; 11 –
Принцип действия . При изменении уровня топлив а, поплавок 12 изменяет
реостата 1. Так как вся цепь, после включения зажигания 9, становится
замкнутой, то по ней начинает протекать ток – от + аккумулятора 10, через
соответственно происходит изменение сопротивления реостата 1, что
приводит к изменению силы тока во всей цепи. Так как изменяющийся ток
также протекает через катушки, то происходит изменение магнитного
потока, создаваемого катушками, и соответственно происходят изм енения
показаний стрелки 1. Постоянный магнит 2 служит для установки стрелки 1
Использование средств неразрушающего контроля для измерения уровня
жидкости или определения наличия/отсутствия ж идкости в емкостях и
Как мы уже говорили выше, существует много способов измерения уровня
жидкости, самым простым из которых является использование щупа или
индикаторного поплавка. Однако, в некоторых случаях эти способы
использовать нельзя, например, при измерении уровня жидкости в
герметичных емкостях, которые не могут быть открыты, или их содержимое
не может быть подвержено воздействию воздуха. Кроме этого, иногда
возникает необходимость быстрого автоматического измерения уровня
жидкости в большом количестве емкостей в процессе из наполнения. В
подобных случаях оптимальным решением часто является измерение уровня
Некоторые характерные случаи использования ультразвукового
Поточный контроль уровня жидкости в различных автомобильных узлах,
таких как баки для горючего, коробки передач, поддоны картеров и
дифференциалы. В данном случае необходимы быстрые и надежные
измерения средствами неразрушающего контроля. При использовании
ультразвуковых измерительных приборов информация отображается м енее,
чем через секунду после проведения измерения. Кроме этого, результаты
измерений могут быть сохранены на неопределенно долгий срок.
Измерение уровня едких и химически активных жидкостей при контроле
процессов химического обогащения. В этих случаях ем кости не могут быть
вскрыты по причинам безопасности, а свойства химических препаратов не
позволяют установить внутренний поплавковый уровнемер.
Обнаружение в трубопроводах стоячих жидкостей. Некоторые
технологические операции требуют проверки наличия или отсутствия
жидкостей в трубопроводах. В частности, такие измерения проводятся при
необходимости открыть или разрезать трубопровод в процессе его
Из мерение в нефтеперерабатывающих системах толщины слоя жидких
нефтепродуктов, находящегося поверх слоя воды. В принципе,
ультразвуковыми средствами можно измерить толщину одиночного слоя
любой жидкости, находящейся поверх другой жидкости, если акустический
В целом, измерения уровня жидкости разделяются на два типа: в первом
случае требуется измерение реального уровня жидкости (по глубине или по
высоте), во втором случае необходимо только определить
наличие/отсутствие жидкости в выбранной точке. Отдельное описание
оборудования и порядка проведения измерений этих двух типов приведены
В целом уровень жидкости (до 500 мм) измеряется обычным эхо-
импульсным методом, с использованием модифицированных версий
стандартных ультразвуковых толщиномеров. Выбор преобразователей для
проведения измерений уровня жидкости зависит от конкретных условий
контроля. Обычно используются преобразователи с частотой 1 МГц или 2,25
Для измерения траекторий прохождения ультразвука в жидкости,
имеющих очень большую протяженность, могут быть использованы
дефектоскопы EPOCH 4В, EPOCH 4, EPOCH III, и EPOCH IIIB
(протяженность траектории, измеряемая дефектоскопом E POCH III, может
Для большинства жидкостей точность измерения составляет ± 2,5 мм.
Для измерения уровня жидкости, находящейся в емкости, преобразователь
приставляется ко дну емкости (при этом используется подходящая
контактная жидкость). Электрический сигнал, поступающий с прибора на
преобразователь, вызывает короткий ультразвуковой импульс, который
проникает через стенку ем кости и попадает в жидкость. Проходя через
жидкость, импульс достиг ает поверхности жидкости, отражается от нее и
Эхосигнал от поверхности жидкости прецизионно отсчитывается от
временной точки электронного нуля, установка которой позволяет вычесть от
общего времени время прохождения ультразвука через стенку емкости.
Время прохождения ул ьтразвукового сигнала до отражающей поверхности и
обратно преобразуется в значение уровня жидкости по следующей формуле:
- скорость з вука в жидкости (которая должна быть установлена с
использованием средств компенсации изм енений скорости ультразвука
- время прохождения ультразвука до отражающей поверхности и обратно
Уровень жидкости отображается на цифровом жидкокристаллическом
Для наиболее эффективного использования этого способа измерения
уровня жидкости необходимо учитывать следующие факторы:
Тип и толщина материала стенок емкости являются первым фактором,
который долж ен учитываться при оценке конкретных условий измерения
ультразвуковыми средствами. При этом необходимо учитыват ь свойства и
диапазон уровня жидкости. Стальные емкости со стенками большой
толщины могут серьезно ограничить минимальный изм еряемый уровень
жидкости из-за эфф екта "отзвука". Пластмассовые ем кости, в свою очередь,
В нашей жизни человек постоянно имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как объем, длина, вес, длина и время и другие.
Цель моей работы: узнать какие бывают средства измерения уровня, их принцип работы, недостатки и преимущества каждого из видов.
Измерение уровня является одним из наиболее часто встречаемых технологических параметров на подавляющем большинстве предприятий. И в этой работе я попробую ответить на такие вопросы как: Для чего нужны средства измерения уровня? Какие вообще существуют средства измерения уровня? Нужны ли эти средства измерения?
Цель моей работы: узнать какие бывают средства измерения уровня, их принцип работы, недостатки и преимущества каждого из видов.
Методы измерения уровня: контактный и бесконтактный.
Контактный метод измерений применяется в любых средах и реализуется обычно в емкостных, гидростатических, буйковых и поплавковых уровнемерах. Эти приборы легко установить в резервуаре любой формы и размера либо в непосредственной близости от него, они отличаются низкой стоимостью, механической прочностью, простотой и монтажа и надежностью измерений.
Бесконтактные методы позволяют измерять уровень без непосредственного контакта с измеряемой средой и заключается в зондировании звуком(ультразвуковые), зондирование электромагнитных излучением (радарные и рефлексные) и зондирование радиационным излучением. Такие датчики стоит использовать в вязких, агрессивных, пенящихся и кристаллизирующихся, пенящихся средах, где есть риск засорения или коррозии элементов прибора.
Для измерения уровня нашли применение следующие методы и средства. Уровнемеры делятся на разные виды:
-радарные и рефлексные
1)Емкостные уровнемеры
Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод, расположенный в вертикальной металлической трубке. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, т.к. при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости. Емкостный метод обеспечивает хорошую точность порядка 1,5% имеет те же ограничения, что и поплавковый – среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе.
Рисунок 1. Емкостный уровнемер (схема)
Рисунок 2.Емкостный уровнемер (прибор)
2)Гидростатический уровнемер
В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т.е. p=ρgh (1)
В схемах гидростатического измерения уровня используют дифференциальные манометры и специальные емкости, уровень жидкости в которых поддерживают постоянным. В случае, когда в измеряемой емкости давление отличается от атмосферного, основную и вспомогательную емкости соединяют импульсной трубкой.
Рисунок 3. Принцип измерения гидростатического измерения
Рисунок 4. Гидростатический уровнемер
3)Буйковые уровнемеры
Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразует в пропорциональную ему выталкивающую силу. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая соло. Зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная.
Условие равновесия буйка имеет вид: S*l* ρ* g = L * Z (2)
где S -площадь поперечного сечения, ρ-плотность материала буйка, g -ускорение свободного падения, Z -жесткость пружины
Рисунок 5. Схема перемещения поплавка буйкового уровнемера
Рисунок 6.Буйковый уровнемер
4)Поплавковые уровнемеры
В поплавковом уровнемере чувствительный элемент – поплавок, плавающий на поверхности жидкости. Поплавок перемещается вверх или вниз вместе с перемещением контролируемого уровня жидкости. Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровня неагрессивных сред (легких нефтепродуктов, топлива, масел), а также пенящихся жидкостей. Поплавковые уровнемеры используются в больших открытых или закрытых резервуарах с низким давлением.
Рисунок 7. Поплавковый уровнемер(схема)
Рисунок 8. Поплавковый уровнемер (прибор)
5)Ультразвуковой уровнемер
Ультразвуковые бесконтактные уровнемеры осуществляют зондирование рабочей зоны волнами ультразвука, т.е. волнами ультразвука с частотой свыше 20 кГц. Расстояние до границы раздела двух сред вычисляется по формуле: H=c*t/2 (3)
гдес-скорость ультразвуковых волн в данной среде, t-время между началом излучения и приходом отраженного сигнала, определяемое электронным блоком уровнемера.
Рисунок 9.Ультразвуковой уровнемер (схема)
Рисунок 10. Ультразвуковой уровнемер (прибор)
6)Рефлексные и радарные уровнемеры
Радарные уровнемеры-наиболее универсальные средства измерения уровня и подобно акустическим уровнемерам, используют явление отражение электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред жидкости – газ. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, а также большая устойчивость к запыленности, испарениям с контролируемой поверхности, пенообразованию.
Рисунок 11. Рефлексный уровнемер (схема)
Рисунок 12.Рефлексный уровнемер (прибор)
2.1 КАК ПРИМЕНЯЮТСЯ НА ПРАКТИКЕ?
Уровнемеры успешно применяются в различных отраслях промышленности и используются для измерения уровня очень разнообразных жидких и сыпучих материалов. В настоящее время они достаточно востребованы на рынке, поэтому с ростом науки и техники появятся новые типы уровнемеров, более точных и удобных в использовании.
С развитием измерительной техники, каждый метод приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.
Уровнемеры применяются во многих отраслях промышленности: химической и нефтехимической, нефтегазовой, целлюлозно-бумажной; фармацевтической; пищевой промышленности и производстве напитков; контроле питьевой воды и сточных вод; энергетике (плотины и гидро- и электростанции) и др.
2.2 НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
Требования к уровнемерам:
1)Определенный вид выходной характеристики уровнемера, т. е. определенная зависимость выходного параметра уровнемера от входного (уровня).
2)Высокая чувствительность, равная отношению изменения выходного параметра уровнемера к вызвавшему его изменению входной величины (уровня). Высокую чувствительность уровнемера желательно получать за счет высокой чувствительности первичного датчика, так как применение промежуточного усиления сигнала датчика-
3.Высокая воспроизводимость, т. е. постоянство передаточной функции вход (уровень) — выход в процессе измерения и при многократном его повторении. Это требование включает в себя такие
качества, как отсутствие гистерезиса характеристики и стабильность ее во времени.
4.Малая инерционность, т. е. минимальный сдвиг во времени между изменением входной величины (уровня) и соответствующим изменением выходной величины. Инерционность уровнемера характеризуется постоянной времени, которая для реальных уровнемеров, в зависимости от назначения и принципа построения, изменяется в диапазоне от сотых долей до десятков секунд.
5.Направленность действия уровнемера, т. е. отсутствие обратного влияния функционирования уровнемера на протекание технологической операции.
6.Высокая избирательность, т. е. уровнемер должен реагировать на изменение только той величины, для измерения которой он предназначен (уровня).
7. Минимальное изменение характеристики уровнемера под воздействием внешних факторов (температура, давление, вибрации, напряженность электрических и магнитных полей и так далее).
8.Технологичность конструкции уровнемера, простота монтажа, наладки и обслуживания.
9.Высокая надежность уровнемера.
10.Вид выходного параметра уровнемера в случае необходимости должен обеспечивать его работу в системе автоматического управления технологическим процессом. Если уровнемер входит в систему ГСП, то он должен иметь унифицированный выходной сигнал (электрический или пневматический), регламентированный ГСП (ГОСТ 13033—67).
2.3 ПРЕИМУЩЕСТВО И НЕДОСТАТКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ НА ПРАКТИКЕ
1)Емкостные уровнемеры.
- простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;
- отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);
- долгий срок эксплуатации;
- потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
- простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;
- сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);
- высокие требования к экранировке деталей;
- необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;
2)Гидростатический уровнемер:
- простота монтажа и обслуживания;
-высокая надежность;
-гидростатические уровнемеры отлично работают с вязкими жидкостями и при большом избыточном давлении.
-точность;
-реализация метода не предполагает использования подвижных механизмов;
- движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости — следствие закона Беррнулли);
- атмосферное давление должно быть скомпенсировано;
- изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.
- чувствительный элемент находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, что требует для датчиков специальных материалов, существенно сужая область их использования.
3)Буйковые уровнемеры:
- 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.
4)Поплавковые уровнемеры:
- точность, высокая степень повторяемости и простота конструкции
- низкая цена
- независимость показателей измерений от химического состояния жидкости.
-точности поплавкового уровнемера зависят от колебаний в жидкости, поэтому любые вибрации, например, плескания в емкости, могут исказить показания поплавка
5)Ультразвуковые уровнемеры:
- Цена ультразвуковых уровнемеров значительно ниже других приборов бесконтактного типа, к коим относятся, например, микроволновые радарные измерители
- Не требуется физический контакт с продуктом, точность измерения сохраняется высокой
- Измерения не зависят от плотности среды. На результат измерений не влияют химические и физические свойства среды (устройства хорошо работают с агрессивными, вязкими средами)
- Компактные габариты
- Мультизадачность прибора (у разных моделей свои особенности, но все они содержат полезные дополнительные функции)
- Возможность полностью автономной работы (у некоторых моделей)
-Большая конусность излучения и возможные отражения сигнала от стационарных препятствий, способные вызвать ошибки в измерениях
- Качественная работа возможна только при нормальном атмосферном давлении
- Влияние на сигнал сильных испарений, запыленности, ветра. Неприменимость для очень мелкодисперсных и пористых гранулированных продуктов
- Сигнал не распространяется в вакууме
6)Рефлексные уровнемеры:
- возможность измерять жидкости, твердые сыпучие вещества, вещества с низкой диэлектрической проницаемостью;
- независимость от физических параметров измеряемой среды – повышенного давления, значительной температуры;
- надежность работы даже в сложных условиях окружающей среды – повышенной запыленности, наличии взвеси, испарений, газов, пены;
- стабильность работы во время быстрого изменения уровня;
- интуитивно удобное управление;
- легкость монтажа и настройки;
- совместим с любыми типами емкостей;
- высокая точность измерения благодаря использованию специальных алгоритмов вычислений;
- взрывозащитное исполнение;
- большой выбор моделей с различными видами и размерами зондов.
-использование уровнемера ограничивает чрезмерная липкость и вязкость веществ. Клейкие материалы способны налипать на зонд;
- датчик определяет только верхний уровень материала;
- допустимая диэлектрическая проницаемость продукта – Еr>1,4.
Таким образом, в ходе проделанной работы, даны ответы на поставленные ранее вопросы: рассмотрены основные понятия о приборах измерения уровня, конструкция и работа некоторых уровнемеров, таких как ультразвуковые, емкостные уровнемеры, и другие приборы.
Уровнемеры необходимы прежде всего для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях , также дает возможность измерять градации уровня , а не только его граничные значения. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижении при этом максимальной его эффективности.
Уровнемеры являются устройствами сложными и недешевыми, но полностью оправдывают себя функционально. При этом все разнообразие этих устройств обусловлено ограничениями на применение в каждом конкретном случае.
Звук с частотой превышающий диапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковом неразрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц.
Целью разработки является проектирование ультразвукового датчика для определения уровня жидкости в закрытых емкостях, контейнерах, баках. Диапазон измеряемых уровней : 0. 1200 мм. Пределы допускаемой погрешности измерений: 1 %.
2. Назначение и область применения разработанного прибора
Измерение уровня жидкости в контейнере или трубе с использованием неинвазивного метода (непосредственное измерение уровня), а также определение или отсутствия жидкости в герметичной емкости.
Измерение уровня едких или химически активных жидкостей в процессе химического обогащения, когда контейнеры нельзя открывать исходя из соображений безопасности, а характер химиката или процедуры не позволяет использовать внутренний уровнемер.
Измерение слоя нефти, располагающегося на поверхности воды в нефтяных технологических установках. В принципе, можно измерять любой слой жидкости, на поверхности другой жидкости, если они обладают различным акустическим сопротивлением.
3. Технические характеристики
Диапазон измерения 0…1200 мм
Разрешение 3 мм
Мертвая зона 30см от основания сенсора
Частота импульсов 8 имп/сек
Монтажная резьба G2 или NPT 2
Температура среды -40…+80
Рабочее напряжение 18…32 В
Максимальный ток 200мА
Условия окружающей среды
Температура хранения -20… +60
Отн. влажность воздуха 80 %
Рабочая температура -20… +60
Степень защиты корпус IP 65
Степень защиты корпус сенсора IP 67
Конструкція
Размеры см. раздел
Вес 1 кг
Соприкасающиеся со средой материалы
Корпус электронного блока Поликарбонат +20 % стекловолокно
Материал преобразователя ПВДФ/РОМ
Защитная лицевая пленка Полиэстер
Излучение помех Соответствует основной норме En 50081.1
Помехоустойчивость соответствует основной норме
EN 50082.2. Необходимо учитывать,
что помехи вызванные кабелем 40-80 МГц
могут вызвать падение выходного тока
Безопасность Согласно правилам по безопасности для
измерительных инструментов для регулирующей и
лабораторной техники NF EN 61010-1.
Для сравнения приведем технические характеристики ультразвукового уровнемера МТМ 900 отечественного производства:
Диапазон измерения 0…4000 мм
Выходные сигналы 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.
Частота импульсов 8 имп/сек
Температура среды -40…+80
Напряжение питания DC 24 B + 10% - 15 %
Потребляемая мощность, не более 6 Вт
Допустимый ток коммутации реле, не более 3 А
Условия окружающей среды
Температура хранения -30… +50
Отн. влажность воздуха 80 %
Рабочая температура -30… +50
Степень защиты корпус IP 54
Степень защиты корпус сенсора IP 67
Конструкція
Вес 3 кг
4. Описание и обоснование выбранной конструкции
Бесконтактный датчик уровня состоит из ультразвукового сенсора и электронного модуля с преобразователем сигнала и индикацией. Датчик устанавливается вертикально к среде измерения. Минимальное расстояние между сенсором и измеряемой поверхностью должно составлять минимум 30 см. Ультразвуковой
датчик уровня производит 8 импульсов в секунду, котрые посылаются с нижней поверхности прибора. Когда импульсы покидают прибор, они расширяются под углом до тех пор пока не соприкоснутся с измеряемой поверхностью. Ультразвуковой датчик уровня может быть установлен на крышку резервуара при помощи стандартного фитинга с резьбовым соединением G 2” (NPT 2) или при помощи любого аналогичного.
Сенсор генерирует и излучает 8 ультразвуковых волн в секунду. При их распространении в воздухе они лишь немного ослабевают. При попадании на поверхность жидкости или твердую поверхность они отражаются и принимаются обратно сенсором. В зависимости от времени с момента излучения до момента приема сенсором обратного луча электроника производит расчет между основанием сенсора и средой, используя при этом прогрессивные методы обработки сигнала, включая температурную компенсацию и подавление нежелательных помех, возникающих на пути до измеряемой поверхности для достижения правильного и точного измерения.
5. Расчёты которые подтверждают работоспособность конструкции
5.1. Расчеты основных конструктивных элементов
Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны и частотой . При этом под длинной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом. Число волн проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний соотношением
Произведем расчеты для волн которые распространяются в трансформаторном масле. Скорость волны в этой среде С=1400мм/с, а частота f=8 имп/сек.
Определим частоту f, на которой ведётся контроль:
где λоц оценочная длина волны.
- скорость волны в топливе.
Рассмотрим процесс прохождения короткого импульса ультразвуковых колебаний в среде. Пьезоэлемент в виде круглого диска диаметром 2a служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. При излучении зондирующего импульса в среде возникает ультразвуковое поле излучения, которое имеет вполне определенные пространственные границы и распределение звукового давления внутри пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет цилиндрическую форму. Протяженность r этой зоны равна
где f Частота колебания волны ультразвука;
С Скорость распространения ультразвуковой волны.
Потеря энергии dB эхосигнала в среде 1 при отражении от акустической границы со средой 2:
Например: потеря dB при распространении сигнала из воды (Z=1.48) в сталь (Z=45.41) составляет -9.13dB; Это так же справедливо и при прохождении сигнала из стали в воду.
Низшая (основная) собственная частота колеблющейся по толщине свободной пластины соответствует полуволновой толщине , т.е. равной половине длины волны в ее материале:
Из этой формулы видно что чем выше собственная частота, тем тоньше должна быть пластина.
В нашем случае пластина из цирконата-титаната свинца (ЦТС) скорость =3.3 мм/мкс, поэтому для работы на частоте 2 МГц пластина должна иметь толщину:
При колебаниях с частотой, большей основной собственной частоты, в пьезоэлементе могут возбудится свободные колебания на высших гармониках, кратных основной частоте.
Плотность и вычисляемое через нее волновое сопротивление
используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой, куда излучается УЗ.
Акустическую добротность (она определяет длительность колебаний после возбуждения) пластины вычисляют по формуле:
где и - волновые сопротивления сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев.
Для УЗ контроля наиболее важен Коэффициент двойного преобразования
Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.
Файлы: 1 файл
емкостные датчики.docx
Емкocтный дaтчик, измерительны й преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.
Принцип действия емкостных бесконтактных выключателей
Емкостные датчики имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора.
Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал.
Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением: С = e0eS/d
где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками конденсатора.
Зависимости C(S) и C(d) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.
Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.
Устройство и принципы работы емкостного датчика
Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика
Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом:
1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособность, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида,комплектуется метизными изделиями.
Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можнопредставить как обкладки "развернутого" конденсатора. Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотногоавтогенератора , настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. Приприближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкостьобратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчикисрабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящихматериалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материаловрасстояние Sr уменьшается в зависимости диэлектрической
проницаемости материала er ( см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе собъектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Srот er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в техническиххарактеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение дляопределения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn Sr расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта ?r
Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов:
Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу.
На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис. 2.10. отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостный датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц.
Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором.
Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однополярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика. Этот метод экранирования проиллюстрирован на рис. 2.11.
Рис.2.10. Емкостный датчик с экранирующим кольцом, поперечное сечение
Рис. 2.11. Емкостный датчик, измеряющий расстояние до объекта, с активным экраном вокруг электрода
В последние годы очень популярными стали мостовые емкостные датчики перемещений. На рис. 2.12. отображен линейный мостовой емкостной датчик перемещений, состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости расстояние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа - из двух. Все шесть элементов имеют одинаковые размеры.
Для увеличения диапазона линейности желательно делать размер каждого элемента, как можно, крупным (здесь, как правило, начинают сказываться ограничения по механической прочности). Четыре электрода стационарной подгруппы перекрестно соединены друг с другом электрическими проводами, что делается для формирования емкостной схемы мостового типа.
На мостовую схему подается синусоидальное напряжение с частотой 5 - 50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сигнал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора. Емкостный датчик мостового типа с двумя параллельными пластинами: А — устройство расположения групп, Б — эквивалентная схема номинального расстояния друг от друга, пропорциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив соответствующей области стационарной пластины. На рис. 2.12. отображена эквивалентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемещения объектов, так и входить в состав других сенсоров, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д.
Читайте также: