Измерения уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов во многих отраслях. В ряде случаев замер должен проводиться с высокой точностью и в большом диапазоне, охватывающем всю рабочую высоту резервуара, порой не имеющего доступа для обслуживающего персонала со стороны боковых стенок и днища (например, подземные бензохранилища). Для измерения уровня применяется множество различных методов и приборов (поплавковые, гидростатические, омические, емкостные, термические, акустические, радиоизотопные и др.), возможности использования которых определяются с одной стороны, технологическими требованиями (диапазон, точность, пожаро- и взрывобезопасность и др.), а с другой, влиянием неинформативных параметров (давление, плотность, вязкость, электропроводность и др.). Поэтому во многих технологических процессах приходится применять комплекс разнородных по принципу действия методов и приборов, что значительно усложняет конструкции вторичных измерительных устройств и увеличивает стоимость измерительных систем. [5]

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. [4]

Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов - емкостные и радиоизотопные.

В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок [19], 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 емкостях. [6]

В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в жидкость буек.

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. [14]

По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т.е. от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. [5] В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал первого уровнемера - унифицированный пневматический, 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 промежуточного преобразователя. [6]

1.1.1 Гидростатические датчики

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т.е. расстоянию от поверхности жидкости.

Принцип действия гидростатических уровнемеров основан на измерении давления внутри жидкости, определяемого массой столба жидкости, расположенного между точкой измерения и поверхностью жидкости в емкости. Если емкость открыта и жидкость, уровень которой измеряют, неагрессивна, то в качестве измерительного прибора применяют манометры (при высоте емкости не ниже 4 м) или напоромеры (при высоте емкости менее 4 м), устанавливаемые вблизи днища резервуара. Давление, показываемое прибором, при постоянной плотности жидкости будет пропорционально уровню жидкости. 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, пропорционален измеряемому уровню. [4] Работа емкостных уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного 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 проницаемости жидкости.

Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов: цемента, извести и т.п.

Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении [3].

Радиоизотопные уровнемеры. Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-лучей при прохождении через слой вещества.

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 движение реверсивным электродвигателем. 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. [17]

По этому сигналу электродвигатель получит команду на спуск измерительной системы.

При снижении ее ниже уровня среды поглощение Y-лучей резко увеличится, сигнал на выходе приемника уменьшится, и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал - напряжение постоянного тока U. [18]

1.1.2 Ультразвуковые датчики

В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость - газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня. Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании.

Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука. Действие ультразвуковых уровнемеров основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. [16] 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 жидкости, во втором - наоборот. Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. [11]

1.1.3 Радиоволновые (радарные) датчики

Перспективным методом измерения уровня является радиоволновой метод. Радиоволновыми (радарными) называются уровнемеры, основанные на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости. К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерферационный, эндовибраторный и резонансный. Работа радиолокационных (радарных) уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами. Скорость распространения электромагнитной волны в среде определяется значениями ее диэлектрической е и магнитной р проницаемостей. Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник. Обычно локация ведется через газовую среду над жидкостью.

Локация через газ предпочтительнее, так как излучатели не подвергаются воздействию жидкости. Кроме того, магнитные и диэлектрические проницаемости газов невелики и практически не зависят от изменения параметров и свойств газа. Это делает показания уровнемера практически не зависящими от свойств жидкости.

Недостатком таких уровнемеров является трудность точного измерения малых интервалов времени. Они чувствительны к нахождению в зоне излучения посторонних предметов, например металлических стенок емкостей.

В принципе локация может осуществляться и через жидкость, если она неэлектропроводная). недостатка необходимо применить узконаправленное излучение с помощью рупорных антенн. Существуют схемы радиолокационных (радарных) уровнемеров, в которых локация осуществляется через стенку рабочей емкости. Применительно к металлургическому производству таким образом можно контролировать границу раздела шлак - металл либо осуществлять непрерывное измерение уровня (существующие приборы имеют диапазон измерения до 200 мм). [9]

1.1.4 Пьезоэлектрические датчики

Конструктивно сигнализаторы уровня резонансного типа выполнены в виде погружаемого в жидкость резонатора с прикрепленным к нему пьезопреобразователем. Резонатор, генерирующий механические продольные колебания, вместе с пьезопреобразователем представляют собой единую резонансную систему, которая крепится в корпусе датчика к мембране в точке ее нулевой продольной деформации. Схематично такой акустоэлектронный резонансный датчик уровня жидких сред показан на К пьезопреобразователю в резонансной системе такого типа датчиков предъявляются следующие требования:

резонансная частота пьезопреобразователя и всей системы в целом должна обладать высокой стабильностью во времени, чтобы при старении не происходило рассогласования всей резонансной системы, т.е. выхода из строя датчика контроля уровня;

для достижения высокой точности контроля уровня жидкости минимальная ширина резонансной полосы пропускания частот должна составлять менее 0,3% от резонансной частоты, что обеспечит пьезопреобразователю механическую добротность выше 350;

устойчивая работа в широком диапазоне температур - от - 196 до +200°С;

емкость подсоединительного кабеля должна быть значительно ниже собственной электрической емкости преобразователя (~100 пФ).

В современных серийно выпускаемых датчиках резонансных уровнемеров используются преобразователи в виде цилиндра диаметром 8,5 мм и высотой 10-11 мм, изготовленные из пьезо-керамического материала ЦТСтБС-2. Их торцевые поверхности снабжены серебряными электродами, предназначенными для контакта с контрольно-измерительной аппаратурой.

Для такой конструкции пьезопреобразователя материал ЦТСтБС-2 оптимален по всему набору параметров: относительной диэлектрической проницаемости ("2000), механической добротности (>350), тангенсу угла диэлектрических потерь (<0,01).

С другой стороны, конструкция пьезоэлемента в виде стержня не позволяет использовать пьезоматериалы с более стабильными параметрами в рабочем диапазоне температур и более высоким значением механической добротности, так как они обладают сравнительно низким значением относительной диэлектрической проницаемости.

С целью повышения эксплуатационных характеристик резонансных сигнализаторов уровня специалисты филиала НИИФИ (Ростов-на-Дону) разработали конструкцию монолитного многослойного пьезопреобразователя В нем на торцевых поверхностях двух пьезоактивных элементов расположены изоляторы. Пьезоэлементы электрически соединены параллельно друг с другом гибкими проволочными выводами из стали марки 18х12Н10Т, которые находятся под прямым углом друг к другу и закреплены механически в пазах глубиной 0,25-0,2 мм.

Пазы размещены в плоскости электродов между изоляторами и пьезоэлементами, а также в средней части между пьезоэлементами. Монолитность конструкции достигается путём термокомпрессионной сварки изоляторов и пьезоэлементов, свариваемые поверхности которых покрыты вожженным в керамику серебром. Новая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с обычной:

электроды пьезоактивных элементов изолированы от корпуса датчика, что обеспечивает его помехозащищенность;

возможность применения более "сегнетотвердых" пьезокерамических материалов с более низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости и более высокими значениями механической добротности;

гибкие проволочные токосъемники освобождают от необходимости ненадежной пайки токовыводов к электродам пьезопреобразователя, приводящей к локальному перегреву пьезоэлементов; [10]

1.2 Недостатки представленных видов датчиков