Поплавковые уровнемеры
Плавучесть физического тела — разность между его весом и весом жидкости, объем которой равен объему этого тела. Чтобы плавающее тело погрузилось в воду, к нему должна быть приложена сила, превышающая силу его плавучести. Именно на этом принципе основано действие устройств, способных воспринимать изменение уровня жидкости в резервуаре или поддерживать этот уровень постоянным. На рис. 10.1 показана схема широко распространенного поплавкового уровнемера. При повышении уровня воды в резервуаре поднимается рычаг, соединенный с поплавком. Как только уровень воды поднимается до контрольной отметки, контакты электрического выключателя размыкаются и отключают насос. Уровень воды начинает снижаться и падает до тех пор, пока снова не замкнутся контакты электрического выключателя и не включится насос. Другой вариант этого устройства — поплавковый клапан, в нем выключатель заменен контрольным клапаном. Примером поплавкового клапана может служить клапан туалетного бачка. Регулирование силы закрытия клапана или силы, замыкающей контакты электрического выключателя, осуществляется изменением длины рычага, соединяющего клапан или выключатель с поплавком, а также подбором размера или плавучести поплавка.
На рис. 10.2 показан еще один вариант поплавкового уровнемера. Его можно применять, если резервуар выполнен из немагнитного материала. Поплавок) скользит вдоль стержня вверх и вниз, реагируя на изменение уровня воды. Размыкание контактов электрического выключателя происходит в тот момент, когда магнит поплавка оказывается на одном уровне с брусочком, выполненным из магнитного материала и расположенным на конце рычажка электрического выключателя. При понижении уровня воды сила магнитного притяжения между магнитом поплавка и металлическим брусочком уменьшается. Когда она станет меньше усилия пружины, оттягивающей рычажок выключателя, контакты электрического выключателя замыкаются и приводят в действие насос. Известно множество других типов поплавковых уровнемеров.
Динамические уровнемеры
На рис. 10.3 показан уровнемер, действие которого основано на принципе измерения веса резервуара, в котором он установлен. Под дном резервуара установлены динамические датчики, измеряющие его вес. Зная вес пустого резервуара, его размеры и плотность жидкости, уровень жидкости можно определить по следующей формуле:
где h — высота резервуара, м; W — вес резервуара с жидкостью, Н; W0 — вес пустого резервуара, Н; а, b — размеры поперечного сечения резервуара; γ — удельный вес жидкости, Н/м3.
Хотя этот метод может быть использован для контроля уровня в любых резервуарах, для крупных резервуаров он оказывается сложным и дорогостоящим, а для прудов непрактичным. Преимуществом приборов этого типа является отсутствие контакта между датчиком и жидкостью, что важно при работе с коррозионно-активными жидкостями, например с соленой водой. Кроме того, динамические датчики относительно недороги.
Электрические уровнемеры. В основу! действия электрических уровнемеров положено явление электропроводности. На рис. 10.4 и 10.5 представлены наиболее распространенные приборы такого типа. В устройстве на рис. 10.4 два электрода опущены в резервуар почти до дна. Количество электричества, проходящее между электродами, пропорционально глубине, на которую они опущены Таким образом, величина выходного сигнала прибора прямо пропорциональна' длине погруженной части электродов. Внешняя контрольная электрическая цепь, в которой датчик играет роль переменного сопротивления, настраивается на два значения тока — максимальное и минимальное, соответствующие двум отметкам — максимально и минимально допустимым уровням жидкости в резервуаре. Если появляется необходимость изменить контрольный уровень, необходимо перенастраивать внешнюю электрическую цепь. Для этого достаточно заново отрегулировать шкалу контрольного прибора.
Схема, показанная на рис. 10.5, состоит из трех электродов, установленных на боковой поверхности резервуара на трех разных уровнях. Сила тока на участках цепи между электродами А и В и между электродами В и С измеряется отдельно. Как только уровень воды опустится ниже отметки, на которой установлен электрод В, электрическая цепь между электродами А и С прерывается. Это повлечет за собой включение устройства, подающего воду к резервуар (т. е. насоса). Насос будет работать до тех пор, пока не замкнется электрическая цепь на участке между электродами В и С, т. е. пока уровень воды не поднимется выше отметки, на которой установлен электрод С. С этого момента подача воды прекращается. Когда уровень воды снова опустится ниже отметки, на которой установлен электрод В, т. е. разорвется электрическая: цепь между электродами А и С, насос снова включается. Таким образом, колебания уровня жидкости в резервуаре ограничены па высоте двумя крайними отметками, на которых установлены датчики В и С. В соответствии с дискретным характером работы этих приборов электрические цепи будут периодически замыкаться и размыкаться.
Уровнемеры этого типа считаются не слишком дорогими, хотя они и несколько дороже поплавковых уровнемеров, что связано главным образом с необходимостью устройства внешней электрической цепи. Кроме того, поскольку электроды должны все время находиться в непосредственном контакте с жидкостью, могут возникнуть дополнительные проблемы при работе с соленой водой. В этом случае следует применять электроды из платины или любого другого коррозионностойкого материала.
Оптические светочувствительные уровнемеры
Приборы такого типа могут быть как непрерывного, так и дискретного действия (т. е. по принципу «есть сигнал — нет сигнала»). Оптический датчик уровня, показанный на рис. 10.6, относится к датчикам непрерывного действия. Система состоит из источника света S, расположенного ниже предельной нижней отметки уровня жидкости, и фотоэлектрического детектора D установленного над уровнем жидкости. Назначение фотодетектора — воспринимать свет, интенсивность которого прямо пропорциональна высоте водяного столба над источником света,) Выходной импульс детектора (это может быть величина тока или напряжения), пропорциональный интенсивности света, поступает во внешнюю электрическую цепь, которая включает или отключает насос в соответствии с изменениями уровня жидкости. Естественно, жидкость в этой системе не может быть непрозрачной.
Если фотодетектор и источник света установлены на одном уровне (рис. 10.7), система будет выдавать дискретный сигнал по принципу «есть сигнал — нет сигнала». Когда уровень жидкости опустится настолько, что станет ниже отметки, на которой находится фотодетектор, подаваемый им выходной импульс будет означать «есть сигнал». По мере повышения уровня жидкости и погружения фотодетектора в воду будет уменьшаться количество света, попадающего на фотодетектор, который в этом случае начнет подавать импульс «нет сигнала». Работа такой оптической системы не зависит от прозрачности жидкости при условии, однако, что жидкость не закрывает ни источник света, ни детектор.
Считатся, что оптические датчики относительно недороги и достаточно надежны, однако во избежание коротких замыканий необходима тщательная герметизация как источника? света, так и детектора. Кроме того, некоторые сложности связаны с введением в конструкцию внешней электрической цепи.
Иногда оптический датчик и источник света помещают с наружной стороны резервуара (рис. 10.8). Это исключает необходимость герметизации фотодетектора и источника света. Кроме того, при таком исполнении появляется возможность упростить конструкцию системы и обеспечить удобство в эксплуатации.
Тепловые» уровнемеры
На рис. 10.9 и 10.10 показаны уровнемеры, принцип действия которых основан на использовании явления теплопередачи. На рис. 10.9 изображен датчик, состоящий из витка проволоки или другого теплочувствительного материала, электрическое сопротивление которого изменяется с изменением температуры. Через этот элемент пропускается ток достаточной величины, которым элемент нагревается до температуры, превышающей температуру окружающей среды. Пока уровень воды ниже отметки, на которой установлен датчик, температура элемента остается неизменной. При погружении элемента в воду его теплопотери существенно увеличиваются, температура элемента снижается и остается уже на этом уровне. Поскольку электрическое сопротивление материала датчика изменяется с изменением температуры (в данном случае прибор настроен на два значения температуры, соответствующие двум крайним отметкам уровня), сила электрического тока, проходящего через виток проволоки, также будет изменяться. Следовательно, будут изменяться и электрические параметры внешней электрической цепи, которая включает или отключает насос или какое-либо другое устройство в соответствии е изменениями уровня жидкости в резервуаре.
Как показано на рис. 10.9, в схеме предусмотрена установка двух теплочувствительных датчиков на разной высоте: один датчик подает сигнал только на включение, другой — только на отключение насоса. Такое конструктивное решение позволяет избежать срабатывания пускателя насоса при незначительном изменении уровня жидкости в резервуаре.
Принцип работы датчика, показанного на рис. 10.10, также основан на явлении теплопередачи. Однако в отличие от предыдущей схемы сила тока, пропускаемого через элемент датчика, остается неизменной независимо от уровня жидкости в резервуаре. В непосредственном контакте с нагреваемым элементом датчика находится термопара (устройство, чувствительное к изменению температуры), которая воспринимает изменение температура элемента. Температура элемента, погруженного в воду, ниже его температуры на воздухе. Следовательно, выходной сигнал термопары даст информацию об уровне жидкости в резервуаре, который может быть выше или ниже точки установки датчика. Сигнал термопары поступает во внешнюю электрическую цепь и производит включение или отключение насоса, клапана или какого-либо другого устройства. Так же как в схеме, показанной на рис. 10.9, ниже расположенный датчик (см. рис. 10.10) подает сигнал только на включение, а выше расположенный датчик — только на выключение насоса. Таким образом, уровень жидкости в резервуаре будет колебаться между двумя отметками, на которых установлены датчики. Необходимая точность регулирования уровня жидкости достигается выбором расстояния между датчиками. В то же время при определении этого расстояния обязательно учитывается условие минимального количества включений и отключений насоса или другого устройства. Чтобы обеспечить выполнение этого условия, датчики следует размещать как можно дальше друг от друга.
Выпуск реагирующих на изменение уровня жидкости тепловых приборов хорошо освоен промышленностью. Они удобны в эксплуатации, однако считаются более дорогими по сравнению с поплавковыми уровнемерами, так как в отличие от последних требуют дополнительных затрат на устройство внешней электрической цепи.
Гидростатические уровнемеры
В качестве уровнемеров могут быть использованы приборы для измерения давления, так как давление в резервуаре и уровень жидкости в нем связаны выражением
где Р — давление, Па; γ — удельный вес, Н/м3; h — высота столба жидкости, м.
В схеме, показанной на рис. 10.11, для измерения уровня жидкости в резервуаре используется мембрана, соединенная с тензометром, показания которого являются выходными сигналами этого прибора. Разумеется, возможны и другие технические решения. По мере увеличения высоты столба жидкости возрастает давление на мембрану, которая под действием этого давления прогибается и в свою очередь воздействует на соединенный с ней тензометр. Электрические характеристики тензометра соответственно изменятся. Напряжение внешней электрической цепи, в которой тензометр играет роль переменного сопротивления, также изменяется.
Таким образом, выходной сигнал прибора по напряжению пропорционален уровню жидкости в резервуаре. Несмотря на непрерывный характер выходного сигнала этого прибора, соответствующей настройкой внешней электрической цепи можно обеспечить периодическое включение и отключение насоса или другого устройства, подающего воду.
Промышленностью выпускаются датчики давления самых разнообразных конструкций, рассчитанные на широкий диапазон воспринимаемых нагрузок. Стоимость датчика определяется рядом факторов: конструкцией, точностью прибора и величиной воспринимаемой нагрузки, так как в основу метода определения уровня положен непосредственный контакт между жидкостью и диафрагмой. Применение гидростатических уровнемеров в системах водоснабжения, использующих соленую воду, связано с необходимостью защиты от коррозии. Существуют различные способы защиты мембраны от коррозионно-агрессивных жидкостей, один из которых показан на рис. 10.12. В данном случае для обеспечения нормальной работы прибора необходимо только,( чтобы в промежуточной камере с пресной водой отсутствовал воздух.
На рис. 10.13 показана еще одна конструкция с использованием сжатого воздуха. Воздух нагнетается компрессором в вертикаль-ную трубку, опущенную одним концом в воду, причем расстояние от дна резервуара до конца этой трубки заранее известно. С помощью манометра, установленного на^ трубке, измеряется давление нагнетаемого воздуха. Зависимость между измеряемым давлением и высотой столба жидкости (от нижнего конца трубки до верхнего уровня жидкости) выражается формулой (10.2). Уровень жидкости в резервуаре определяется к$к сумма показаний манометра и константы, равной расстоянию от нижнего конца воздухоподводящей трубки до дна резервуара. Такая система достаточно надежна и обеспечивает необходимую точность измерения, однако для ее работы необходим постоянный источник сжатого воздуха.
Емкостные уровнемеры. Вода характеризуется высокой диэлектрической постоянной, на этом свойстве основано действие приборов, чувствительных к изменению уровня жидкости. Схема одного из них показана на рис. 10.14. Датчик состоит из двух изолированных пластин, подвешенных вертикально в резервуаре и параллельных друг другу. Емкость такого конденсатора пропорциональна диэлектрической постоянной среды, находящейся; между пластинами. Поскольку диэлектрическая постоянная воды примерно в 80—85 раз больше диэлектрической постоянной воздуха (в зависимости от температуры), емкость конденсатора с повышением уровня воды значительно возрастает. Реагируя на изменение емкости, внешняя электрическая цепь выдает соответствующий по напряжению выходной сигнал.
Выпускаемые промышленностью емкостные уровнемеры обеспечивают необходимую точность измерения уровня жидкости. Выходной сигнал емкостного датчика может быть как непрерывным, так и дискретным в зависимости от конструкции самого датчика или схемы внешней электрической цепи.
Пьезометрические уровнемеры
Затухание колебаний вибрирующего элемента также может быть использовано для измерения уровня жидкости. Если вибрирующий стержень опустить в резервуар, то частота его колебаний в воздушной среде будет существенно отличаться от частоты, с которой он будет колебаться, когда окажется в воде. В качестве вибрирующего элемента можно использовать пьезоэлектрический элемент или магнитостриктор. Обычно колебательная система состоит из двух датчиков, расположенных на стенке резервуара в определенных точках. Выходной сигнал вышерасположенного датчика выключает насос. Срабатывание нижерасположенного датчика свидетельствует о том, что в резервуар надо подавать воду.
Акустические уровнемеры
Для контроля уроеня жидкости можно использовать также и звуковые волны, как правило, в диапазоне ультразвуковых частот (от 20 до 100 кГц). В акустической системе, изображенной на рис. 10.15, генератор звуковых колебаний и приемник установлены в крышке закрытого резервуара. Генератор звуковых колебаний посылает звуковые волны на поверхность воды. Отраженные от поверхности воды, они воспринимаются ультразвуковым приемником. Время, которое потребуется для того, чтобы звук прошел расстояние от генератора звуковых колебаний до поверхности воды и обратно к приемнику, является критерием для оценки уровня жидкости. Можно установить генератор звуковых колебаний и приемник на дне резервуара, тогда звук будет проходить через жидкость. В некоторых акустических системах генератор и приемник звуковых волн выполняются в общем корпусе.
Акустический датчик с дискретным выходным сигналом, показанный на рис. 10.16, отличается тем, что генератор и приемник звуковых колебаний находятся на противоположных стенках резервуара, звуковые волны распространяются в горизонтальной плоскости. При этом в зависимости от среды, через которую проводят звуковые волны (воздух или вода), приемник будет получать различную информацию. На этом различии основывается метод измерения уровня жидкости.
Акустический принцип положен в основу действия прибора, схема которого изображена на рис. 10.17. В таких уровнемерах, называемых резонансными, в качестве источника акустических колебаний применен генератор звука переменной частоты, смонтированный на одном уровне с приемником в крышке резервуара. Генератор обеспечивает колебания заданной частоты, а приемник улавливает частоту собственных колебаний полости, заполненной воздухом. Поскольку частота собственных колебаний полости зависит от уровня жидкости, остается только установить характер этой зависимости и найти для нее числовое выражение. Применение резонансных уровнемеров ограниченно, поскольку полостной резонанс, лежащий в основе этого метода, возникает только в закрытых сосудах или резервуарах.
Радиоизотопные! уровнемеры. Принцип действия радиоизотоп-ных уровнемеров основан на изменении интенсивности у-лучей при их прохождении через вещества различной плотности, которое происходит при смещении границы раздела двух сред (контролируемого уровня). В качестве источника γ-излучения используются такие элементы, как 137Cs, 60Со или 226Ra. α- и β-излучения для большинства существующих систем контроля за уровнем жидкости не обладают достаточной глубиной проникновения в жидкость, за исключением, возможно, системы, показанной на рис. 10.18, обеспечивающей дискретный выходной сигнал.
В схеме, показанной на рис. 10.18, датчик и приемник установлены на противоположных стенках резервуара. На своем пути от источника к приемнику радиационное излучение проходит через: воздух, пока уровень воды не достигнет отметки, на которой установлены оба прибора. Воздушная среда обеспечивает слабое затухание радиации. Как только уровень воды поднимается выше этой отметки и датчик вместе с детектором окажется под водой, излучение должно будет проходить сквозь толщу воды. Во втором случае влияние среды, через которую проходит излучение, будет отражаться на его интенсивности значительно заметнее, так как более плотная жидкость поглощает радиацию сильнее, чем воздух. Неодинаковая интенсивность у-излучения на пути между излучателем и приемником регистрируется внешней электрической цепью, которая соответствующим образом реагирует на изменение уровня жидкости.
Схема контроля, показанная на рис. 10.19, характеризуется тем, что ее выходной сигнал прямо пропорционален уровню жидкости, причем эта зависимость остается постоянной при любом уровне жидкости. В данном случае ослабление радиации в воздушной среде незначительно по сравнению с ее ослаблением в жидкости. Таким образом, по мере повышения уровня жидкости приемник излучения регистрирует постепенное ослабление интенсивности радиации.
Радиоизотопные уровнемеры освоены промышленностью и имеют отличные эксплуатационные качества. Для обеспечения безопасности персонала, работающего с радиоактивными приборами, должны быть приняты соответствующие меры предосторожности. Стоимость приемников излучения часто оказывается выше стоимости датчиков других типов. В системах по разведению водных организмов рабочей жидкостью является всегда пресная или соленая вода. Поскольку почти все датчики могут нормально работать с такими жидкостями, при выборе приборов в первую очередь принимается во внимание их цена.
Выше были кратко описаны наиболее распространенные приборы для контроля уровня жидкости. Схемы внешней электрической цепи, воспринимающей выходные сигналы датчиков, не рассматривались. Промышленность выпускает слишком много приборов для измерения уровня, чтобы их можно было все описать. Выбирая тип датчика так же, как и конструкцию внешней электрической цепи, необходимо консультироваться непосредственно с заводами-изго-товителями. Дак правило, чем выше требования к чувствительности приборов и чем активнее среда, в которой они работают, тем выше их стоимость.