На многих производствах в качестве технологических сред используют жидкостные и сыпучие материалы. В режимах поточного изготовления продукции и особенно с автоматическими органами управления требуется постоянный контроль параметров рабочих материалов. Наиболее распространенным средством такого контроля является измерение уровнем, в процессе которого отслеживается степень наполнения того или иного емкостного оборудования.
Реализация технологии
Под уровнем в данном случае понимается высота заполнения технологической установки (бака, резервуара, цистерны, поршня) рабочей средой. Само по себе знание этой величины необходимо для управления и контроля производственного процесса. В частности, такие замеры являются необходимой операцией в химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности. Зная уровень наполнения емкости для сбора очищенной нефти, к примеру, оператор может задать оптимальные параметры для работы перекачивающей насосной станции. И опять же, многие производства работают на автоматике, поэтому выходные данные могут обрабатываться контроллерами, которые даже без участия оператора подают команды исполнительным агрегатам с учетом полученных сведений об уровне наполнения контролируемого аппарата. В зависимости от конкретной технологической операции и требований к учету, могут меняться разные единицы измерения уровня – например, существуют методы с широким диапазоном замера от 0,5 до 20 м, а также специализированные лабораторные схемы контроля, при которых учитывается узкий спектр от 0 до 500 мм. Непосредственный замер осуществляют физические, электромагнитные и ультразвуковые аппараты, некоторые из которых также фиксируют и свойства среды – химический состав, давление, температуру и т. д.
Визуальные способы контроля
Простейший способ решения задачи, при котором достаточно использовать стандартный мерный инструмент. Применяются рулетки, линейки, смотровые стекла и другие приспособления, которые в принципе можно использовать в заданных условиях конкретной производственной обстановки. Наиболее же технологичным средством измерения уровнем данного типа является выносной или байпасный указатель. Его устанавливают в боковой части емкости посредством резьбовых, фланцевых или сварных соединений. Процесс индикации обеспечивается с помощью прозрачной трубке, которая наполняется по мере повышения уровня жидкости в целевом резервуаре. В более современных байпасах используются цилиндрические поплавки с магнитной системой показаний. Но и такая конструкция считается морально устаревшей из-за существенных ограничений в коммуникационных возможностях сопряжения с управляющей электроникой и средствами автоматизации.
Поплавковый способ измерения
Тоже один из простейших традиционных способов контроля уровня наполнения жидкостными средами. Он основан на фиксации положения поплавка на самой поверхности обслуживаемой жидкости. Контроль осуществляется по разным принципам – механическим, магнитным и магнитострикционным. В процессе перемещения меняется характер связи поплавка с контролирующим его элементом – например, жестко зафиксированным рычагом. Угол крепления меняется при подъеме поплавка, что и фиксируется системой замера. Обычно измерение уровнем данного типа происходит в процессе преобразования того же угла в электрический сигнал. Чаще всего речь идет даже не об учете конкретных показаний, а о регистрации момента достижения конкретной величины. Иными словами, когда поплавок достигает установленного уровня высоты, активизируется сигнализатор уровня. В простейших схемах происходит замыкание контактов, приводящее к определенным технологическим действиям – например, останавливается функция перекачивающего жидкость насоса.
Гидростатические измерения рабочих сред
Ключевым фактором замера в данной системе уровнемера выступает гидростатическое давление. То есть применяется манометр с подходящими характеристиками и погружаемым датчиком давления. Причем важным условием контроля является отделение датчика от рабочей среды специальной мембраной с одной стороны, а с другой должна обеспечиваться подача атмосферного давления через капиллярную подводку от наполнителя. В процессе измерения уровнем этого типа происходит контроль избыточного давления, показатель которого влияет на характеристики генерации унифицированного сигнала. Также к манометру подключается электроприбор с преобразователем, который отвечает за оповещение о тех или иных изменениях, произошедших в подконтрольной среде. В качестве альтернативы данному способу измерения гидростатического давления можно привести контроль давления газа, который закачивается в аналог капиллярной трубки со стороны жидкости, наполняющей резервуар. Данная модель работы гидростатического манометра называется пьезометрической.
Радарные средства измерения уровня
На некоторых производствах применяется универсальный подход к измерению высотных уровней наполнения технологическими средами. Для работы с жидкостями, газами и сыпучими материалами оптимально подходит радарная аппаратура, действие которой базируется на анализе частотно-модулированных колебаний. Измерению подвергается время распространения и возвращения незатухающих колебаний от специальных антенн к обслуживаемой среде. Волновые диапазоны могут варьироваться от одного до десятков ГГц. Сами приемо-передающие антенны могут иметь разное устройство и характеристики излучения. Для измерения уровня жидкостей на химических производствах, например, применяют стержневые антенны с высотным диапазоном замера до 20 м. Для сред, к контролю которых предъявляются повышенные требования в показателях точности, используют параболические и планарные устройства. Обычно это сферы технического учета, где важна фиксация измерений вплоть до 1 мм.
Применение радиоизотопных методов
Основной специализацией данного вида уровнемеров является контроль сыпучих материалов и жидкостных сред в закрытых резервуарах. Принцип работы радиоизотопного аппарата основан на поглощении гамма-лучей, которые проходят по слою целевой среды. Технически процесс измерения организуется с применением источника излучения и приемника. Два устройства подвешиваются или устанавливаются на несущей конструкции и управляются реверсивным электродвигателем, который меняет их позицию по высоте в зависимости от текущего уровня наполнения. Если система измерения уровня рабочей среды находится выше ее поверхности, то излучение от приемного сигнала будет сильным, так как на его пути нет препятствия. Поэтому электродвигателю от контроллера дается сигнал на понижение аппаратуры. Позиция измерительной оснастки будет контролировать сигнал в емкости посредством постоянной подачи и обработки волновых колебаний.
Ультразвуковые методы контроля
Принцип действия в данном случае во многом схож с радиочастотным контролем, при котором выпускается радиосигнал и по характеристикам его отражения от измеряемой среды фиксируется степень наполнения производственной емкости. Однако при ультразвуковом методе используются специальные акустические приборы для измерения уровня наполненности. То есть распространяются звуковые волны, причем функционирование аппаратуры схоже и с принципами локации. Фиксация показателей происходит по времени прохождения колебаний дистанции от излучателя до линии раздела сред и обратно до приемного устройства. Местоположение границы раздела определяется со сторон воздушной (газовой) и целевой рабочей сред. Так работают комбинированные высокоточные аппараты, но в самой группе ультразвуковых уровнемеров выделяют приборы, которые целенаправленно могут контролировать только газовоздушную (незаполненную) или только рабочую среду.
Микроволновые методы
Одна из самых популярных бесконтактных технологий измерения, которая объединяет в себе приемы и принципы радарного электромагнитного контроля. Наиболее перспективной методикой данного класса можно назвать направленное электромагнитное измерение, при котором коэффициент отражения сигнала определяется на основе сверхвысокочастотных импульсов, способных проникать до дна емкости, минуя разного рода нежелательные примеси и шламовые частицы. Возвращенный сигнал или его часть замеряется по характеристикам полноты и скорости. С учетом времени его прохождения определяется степень наполненности. Микроволновые методы измерения уровня рабочих сред широко используются в технологических задачах контроля наполненности гранулированными и порошкообразными материалами. На таких производствах используют зонды с одинарным подвешиванием на тросах, в то время как применительно к жидкостям используют двойные и стержневые несущие конструкции. В целом оптимизация оснастки при работе с твердыми веществами себя оправдывает по причинам физико-механического свойства, которые связаны с техническими ограничениями при организации процессов измерения.
Заключение
За последние годы технологии разработки уровнемеров для контроля технологических сред пережили несколько принципиально важных этапов развития, изменивших и принципы подобных измерений. Среди наиболее важных из них можно назвать переход на бесконтактные способы измерения и расширение возможностей при работе с агрессивными жидкостями. На сегодняшний день тем же бесконтактным радиочастотным или электромагнитным способом можно обеспечить точный контроль сырой нефти, кислоты, расплавленной серы и жидкого аммиака.
