Бесконтактный способ измерения уровня

Довольно часто встает задача по бесконтактному определению расстояния до объекта, одним из способов решения которой, является применение оптических датчиков расстояния или оптических дальномеров. Выходной функцией у этих датчиков является, аналоговый (4..20 мА / 0..10 В) или цифровой выходной сигнал + , у более дорогих версий, интерфейс RS485.

Принцип работы датчика — измерения времени прохождения светового луча от датчика до объекта и обратно — приведен на рисунке 2.48.

Рис. 2.48. Принцип работы оптического датчика расстояния

Новые схемы измерения, базирующиеся на современных технологиях обработки сигнала позволяют теперь без опасений проводить измерения на прямом солнечном свете. Даже такие отражающие поверхности, как полированный металл не влияют на надежность измерений.

Датчики серии O1D включают в свой состав датчики расстояния, работающие как на рассеяном от объекта излучении, так и на отражении от рефлектора для измерения на больших дистанциях (до 75 метров). Датчики наличия объекта имеют только дискретный выход, зато они могут обнаруживать небольшие объекты за значительных расстояниях, до нескольких метров. Оптические датчики уровня сыпучих и жидких веществ могут быть совершенно незаменимы для измерения уровня вязких веществ, например для измерения уровня шоколада в кондитерском производстве.

Источник

Технологии и методы измерения уровня

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. Выбор метода измерений уровня зависит от конкретных условий рабочей среды и характеристик измеряемой среды.

Контактные методы измерения уровня

Поплавковые уровнемеры.

При поплавковом методе индикатором уровня служит поплавок. Для передачи информации от чувствительного элемента используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Магнит может влечь за собой ползунок реостата. Изменение сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, что дает помимо визуального контроля возможность дистанционной передачи показаний и включения в систему автоматизации. Ряд поплавковых уровнемеров используют магнитострикционный эффект. При этом направляющий поплавок стержень содержит волновод, заключенный в катушку, по которой подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации, распространяющиеся по волноводу и принимаемые пьезоэлементом вверху стержня. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы.

Герконовые уровнемеры, содержат в теле направляющего стержня цепочку герконов, замыкаемых движущимся магнитом. Дискретность измерения уровня в этом случае – не менее 5 мм.

Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах в процессе коммерческого учета. Температура рабочей среды: — 40. 120 °С, избыточное давление: до 2 МПа, для преобразователей с гибким чувствительным элементом — до 0,16 МПа. Плотность среды: 0,5. 1,5 г/см3. Диапазон измерений – до 25 м. Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокая точность измерений (± 1. 5 мм). Метод явно неприменим только в средах, образующих налипание, отложение осадка на поплавок, а также коррозию поплавка и конструкции чувствительного элемента.

Емкостные уровнемеры.

Емкостной метод – более простой и дешевый. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый — среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред с размером гранул до 5 мм. Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является неоднородность среды — измеряемая среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения чувствительного элемента уровнемера.

Чувствительный элемент емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае измерения уровня проводящей жидкости чувствительный элемент емкостного уровнемера покрывается изолирующим материалом, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости чувствительного элемента, преобразуемой в выходной электрический сигнал.

Условия применения емкостных датчиков по характеристикам рабочей среды: температура -40. +200 °С, давление – до 2,5 МПа, диапазон измерения – до 3м (30 м – для тросовых емкостных уровнемеров).

Гидростатический метод измерения уровня.

Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход датчика соединяется с атмосферой — в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением. Расположение чувствительного элемента (мембраны) датчика соответствует минимальному измеряемому уровню среды в резервуаре.

Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 кПа, что соответствует (для воды) 25 метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40. +120 °С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

Буйковые уровнемеры.

Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры . На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая сопло.

Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м при температурах – 50. +120 °С (в диапазоне +60..120 °С при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120. 400 °С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0,25. 1,5%. Плотность контролируемой жидкости 0,4. 2 г/см3.

Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Бесконтактные методы измерения уровня

Ультразвуковые уровнемеры.

Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают бесконтактное измерение уровня. Точность показателей не зависит от свойств измеряемого продукта (например, от диэлектрической постоянной, проводимости, плотности или влажности). Ульразвуковые уровнемеры в некоторой степени нечувствительны к налипанию продукта за счет эффекта самоочистки, вызванного вибрацией диафрагмы сенсора.

По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные. 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.

Ультразвуковой метод характерен очень малым подводом теплоты в контролируемую среду, поэтому может быть использован в криогенной технике. Однако метод применим только на жидкостях со спокойной поверхностью, т.е. исключаются кипящие жидкости и криостаты с загруженным внутренним объемом.

Ультразвуковые уровнемеры предназначенны для измерения уровня жидкостей (в том числе агрессивных), а также сыпучих и кусковых материалов при температуре от -50 до 170 °С при давлении до 4 МПа. Пределы измерения уровня от 0,4 до 30 м, основная погрешность равна ±0,5% и более.

Радарные (СВЧ) уровнемеры.

Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и FMCW (frequency modulated continuous wave).

Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности.

В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно частотно модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямопропорциональна расстоянию до контролируемого объекта.

Обычно, рабочая частота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до 26 ГГц. Чем более высокая частота, тем более узкий «луч» и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение. Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой более 90 ГГц.

Другой важной характеристикой влияющей на формирование сигнала является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала.

Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35. 40 м. (в условиях спокойной поверхности).

Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции.

Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня.

Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность до ±1 мм и применяются в системах коммерческого учета.

Радарные уровнемеры — наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность измерения уровня, что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.

Для любого метода измерения уровня характерен набор технических реализаций, расширяющийся с развитием технологий и измерительной техники.

Источник