Уровнемер. Методы измерений уровня. Традиционные и новые

- Волноводные радарные уровнемеры (guided wave radar) - измерения высокой точности.
- Гидростатические уровнемеры не сдают свои позиции.
- Емкостные и ультразвуковые системы измерения уровня менее эффективны по сравнению с волноводными радарными уровнемерам.
- Поплавковые уровнемеры уступают дорогу радарным уровнемерам.

Существует немного видов измерений, которые имеют такое разнообразие областей применения и инструментов, как измерение уровня. У каждого из видов уровнемеров есть свои преимущества и недостатки. Наилучшей выбор зависит от многих обстоятельств, таких как процесс, в рамках которого необходимо проводить измерения уровня, необходимая точность, а также ценовые ограничения. Специалист КИПа должен обладать общим представлением обо всех разновидностях уровнемеров - это позволит ему сделать безошибочный выбор при проектировании систем автоматизации. Список используемых сегодня видов уровнемеров, различающихся принципу действия достаточно представительный:

- Визуальные.
- Гидростатические.
- Поплавковые.
- Емкостные.
- Кондуктометрические.
- Ультразвуковые.
- Радарные.
- Оптические.
- Магнитострикционные.
- Радиационные.
- Тепловые.
- Лазерные.
- Ротационные.
- Вибрационные.

С учетом этого длинного списка типов устройств для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, выбор наилучшего варианта в каждом конкретном случа может быть непростой задачей - особенно для начинающих в области КИПа. В этой публиткации описаны наиболее распространенные методы измерения уровня, подробно гидростатические и радарные.

Визуальное наблюдение

Самый простой метод, предполагающий использование смотровых окон в резервуарах, щупов, отвесов, или простое наблюдение за продуктом через прозрачный или полупрозрачный резервуар. Эти техники надежны, точны и просты в использовании, однако отсутствие возможностей по генерации и передаче соответствующего выходного сигнала ограничичвают сферы их применения.

В определении автоматических уровнемеров для резервуаров, данным, опубликованным Американским институтом нефти, сказано, что это «устройство, которое автоматически измеряет и показывает уровень жидкости или незаполненной части объема в резервуаре или в нескольких резервуарах, непрерывно, периодически или по запросу».

Поплавковые уровнемеры

Если вес предмета больше, чем вес жидкости вытесненного объема, в которую он погружен, объект тонет. И не смотря на то, что объект (поплавок) никогда не плавает на поверхности жидкости, он занимает в ней определенную позицию, и когда уровень жидкости перемещается вдоль оси поплавка, его вес меняется из-за изменения выталкивающей силы жидкости. Любое изменение в положении поплавка может быть измерено и использовано для выходного сигнала, соответствующего уровню жидкости.

Гидростатические уровнемеры

Классическим способом измерения уровня является метод основанный на измерении гидростатического давления. Такое измерение позволяет косвенно определить уровень жидкости, а калибровка преобразователя давления в единицах уровня не требует преобразования. Уровнемеры основанный на гидростатического давления используются в самых различных отраслях.

Когда уровень жидкости в резервуаре растет, сила гидростатического давления, воздействующего на преобразователь давления тоже растет – соответственно, растет и его выходной сигнал. На основе выходного сигнала высчитывается уровень жидкости. Изменение значения атмосферного давления не влияют на измерение.

Необходимо учитывать плотность жидкости при преобразовании давления - уровень. Если жидкость малой плотности, давление оказываемое столбом жидкости, будет меньше. Более тяжелые жидкости оказывают большее давление.

Типы радарных уровнемеров

Принцип работы микроволнового уровнемера проще всего описать с помощью схемы, в которой измерительный прибор и среда разделены на пять частей: микроволновой электронный модуль, антенна, атмосфера внутри резервуара, дополнительные датчики (преимущественно температурные), а также удаленный или местный дисплей. Дисплейный модуль может также выполнять функции обработки данных - например, осуществлять расчет массы, обьема измеряемой среды. Как правило, преобразователь располагается в верхней части резервуара, и твердотельный излучатель генерирует электомагнитную волну заданной частоты, которая направляется вниз, к поверхности жидкости в резервуаре. Обычная используется частота около 10 ГГц. Сигнал излучается антенной параболической, рупорной или других форм - в зависимости от области применения. Часть сигнала отражается обратно в антенну, которая принимает его и направляет в приемник. Затем, с помощью микропроцессора определяется время, затраченное волной на прохождении пути до поверхности жидкости и обратно, к антенне. Известная скорость волны и время в пути, позволяет рассчитать расстояние от передатчика до поверхности жидкости.

Контактные и безконтактные измерения

Бесконтактные радарные уровнемеры разделяются по способу измерения на импульсные TDR (time domain reflectometry) и модулированным сигналом FMCW (frequency modulated continuous wave).

Импульсные радары TDR излучают кратковременные импульсы, и расстояние рассчитывается исходя из времени их прямого пути и обратного.

Радары FMCW сигнала излучает постоянный линейно изменяющийся частотно - модулированный сигнал. Разница между частотами прямого и отраженного сигналов, вызванная задержкой во времени, позволяет определить расстояние, а значит и уровень жидкости.

Малая мощность излучения позволяет безопасно устанавливать такие радары в металлических и неметаллических резервуарах. Радарные уровнемеры можно использовать с легковоспаменяющимися средами.

Контактные волноводные радарные уровнемеры излучают импульсы вдоль зонда - волновода, и когда он достигает границы раздела сред, изменение в диэлектрической постоянной раздела сред, вызывает частичное отражение сигнала. В приемнике измеряется время прохождения сигнала и определяется уровень измеряемой среды. Неотраженная часть сигнала доходит до конца зонда и отражаясь, дает сигнал для нулевой точки отсчета. Контактные волноводные радары можно использовать для жидкостей и мелкодисперсных материалов. Применение радарных уровнемеров зависит от диэлектрических свойств материала. У жидкостей хорошие отражающие свойства, а вот у твердых тел далеко не всегда. При сильной концентрации пылевых частиц или других посторонних веществ, например пены, будет измерятся расстояние до этих предметов, а не до границы измеряемой среды.

Парогазовая среда в резервуаре

Сигнал радара отражается непосредственно от поверхности жидкости, что позволяет проводить точные измерения. Пыль, испарения малых концентраций не должны оказывать серьезного воздействия, так как диаметр таких частиц намного меньше, чем, к примеру, 3-сантиметровая длина волны радара. Для оптических систем измерения уровня с меньшей длиной волны это не так. Могут иметь место несущественные ошибки в измерениях в связи с присутствием некоторых продуктов в паровоздушной зоне резервуара. Особенно часто это происходит, когда состояние колеблется между отсутствием испарений и насыщенными испарениями. В таком случае, необходимо осуществлять измерения давления и температуры, используемых для компенсации погрешностей. Эта компенсация осуществляются с помощью программного обеспечения, интегрированного в уровнемер.

Метод «конец зонда»

Метод «конец зонда» можно использовать в волноводных радарных уровнемерах, когда от поверхности измеряемой среды не возвращается отраженный сигнал. Электромагнитный импульс направляется вдоль зонда - водновода, служащего путем распространения импульса. Когда волна сталкивается с изменениями в окружающей волновод среде, происходит изменение диэлектрической постоянной, и часть сигнала отражается обратно к источнику. Остальной сигнал доходит до конца зонда, и отражается уже от конца зонда.

Преимущества радарных измерений

Высокая устойчивость к практически любым внешним воздействиям, позволяет производить измерения радарными уровнемерами очень точно. Радарная технология относительно недавно стала использоваться в промышленности, но уже завоевала популярность благодаря своим многочисленным преимуществам. Принцип отраженного сигнала используется и в ультразвуковых системах, однако у них и у радарных систем есть существенная разница. Основное отличие - звуковые волны, испускаемые ультразвуковыми уровнемерами, являются механическими. Поскольку механические волны требуют материальной среды, изменения в ней могут влиять на распространение волн. Изменения в среде приводят к изменению в скорости распространения в ней волн – что влияет на точность измерений. Также другие факторы могут влиять на сигнал - пыль, испарения, пена и прочие. Электромагнитным волнам радарных уровнемеров не нужна физическая среда для распространения, и они изначально устойчивы к воздействию факторов, приводящих к невозможности измерения акустическими устройствами.

Преимущества и характеристики радарных уровнемеров: - Нечувствительность к параметрам паровоздушного пространства резервуаров.
- Нечувствительность к препятствиям в резервуарах.
- Улучшенная точность и стабильность благодаря использованию встроенного программного обеспечения и специальных алгоритмов вычислений.
- Двухпроводные конструкции.
- Незначительное, легко компенсируемое воздействие температуры и давления.
- Нечувствительность к ошибкам, вызываемым пеной.
- Относительная легкость установки и настройки.
- Диапазон измерения до 90 метров.
- Использование в волноводной версии для определения границы между двумя жидкостями. - Возможность автономного питания.
- Возможность беспроводного интерфейса.
- Широкое распространение в нефтехимической отрасли.
- Ограниченное распространение в пищевой и фармацевтической отраслях.

Итоги

При выборе уровнемера, обычно изучаются данные, предоставленные производителем или интегратором проекта. Эти данные зачастую затруднительно использовать для сравнения реальных характеристик оборудования от различных производителей. Такие факторы, как расположение и монтаж прибора, разница в единицах измерениях, полнота описания, методы получения данных измерения – требуют всестороннего изучения и учета.

Особенности установки уровнемеров очень важны для бесконтактных методов измерения, и следующие рекомендации нацелены на улучшение работы уровнемеров:
- Особенности среды могут оказывать негативное влияние на качество работы измерительных систем.
- Необходимо избегать волнения на поверхности измеряемой среды.
- Налипание пыли и грязи на уровнемер может уменьшать значение излуего или отраженного сигнала.
- Условия измерения на поверхности жидкости, влияющие на отражаемость электромагнитных волн, могут привести к ошибкам измерений. Радарные системы зависят от относительной диэлектрической проницаемости среды. Уровень ниже ε=1,4 является препятствием для использования радарных уровнемеров.
- Паровоздушное пространство должно быть прозрачным для излученного и отраженного луча. Если материалы в паровоздушной зоне резервуара будут полупрозрачными для излучения, это может повлиять на его мощность и скорость распространения.
- Скорость ультразвуковой волны зависит от давления, температуры и состава пара. При изменении состояния пара необходимо вносить определенные компенсации - когда бы они ни происходили, во время запуска, отключения, или нормальной работы устройства, иначе это может привести к ошибкам измерения.
- Геометрия резервуара и другие условия могут влиять на работу измерительных систем.
Необходимо избегать формирования твердых частиц на пути луча. Паразитные отражения волн или случайные, вызванные конструктивными особенностями резервуаров, необходимо выделять и не учитывать при измерениях. Движущиеся части, такие как лопасти смесителя могут вызывать ложные отражения, влияющие на точность измерений. Смачиваемая часть датчика должна быть установлена перпендикулярно поверхности жидкости. Необходимо избегать формирования конденсата на датчике, а также избегать многократных отражений, вызванных геометрией резервуара, с помощью правильной установки уровнемера и компенсацией ложных отражений.

Выбор способа измерения зависит от конкретного проекта использования и отраслевых тенденций.

На сегодня основная технология, используемая для измерения уровня в нефтехимической, химической, пищевой отраслях США, основана на гидростатических преобразователях перепада давления.

По-прежнему используется большое количество поплавковых уровнемеров.

Для случаев, в которых меняется плотность жидкости в ходе технологического процесса, используются радарные уровнемеры, как обычные, так и волноводные.

Измерения с помощью волноводных радарных уровнемеров достаточно точны и сертифицированы для использования со многими системами безопасности.

Ультразвуковые, емкостные уровнемеры, преобразователи перепада давления широко используются в различных отраслях, однако радарные уровнемеры различного типа начинают завоевывать все большую популярность. Первыми в очереди на замену предполагаются емкостные уровнемеры.

Техническая публикация
Уровнемеры