Измерение уровня. Методы, способы измерения уровня. Выбор уровнемера

Чтобы гарантировать безопасность и рентабельность технологических процессов, их необходимо оснастить измерительными приборами, способными обеспечить надежное и точное измерение уровня. Основной задачей измерения уровня является определение положения поверхности среды внутри хранилища, реактора или резервуара другого назначения. Точнее, измерение уровня заключается в определении линейного расстояния по вертикали между точкой отсчета (которая обычно совпадает с дном емкости) и поверхностью жидкости, сыпучей среды, или границей раздела двух жидкостей. Точное измерение уровня жидкости в емкости, реакторе или ином резервуаре имеет большое значение для многих технологических процессов.

Измерение уровня часто используются при коммерческом учете. Для обеспечения контроля ресурсов погрешность измерений имеет особое значение; для измерения уровня существуют различные типы приборов и систем. Каждый из них предназначен для измерения уровня с конечной погрешностью, хотя значение погрешности и принципы работы прибора могут отличаться. Любое измерение уровня предполагает взаимодействие между чувствительным элементом прибора или системой, и продуктом, содержащимся внутри резервуара.

В следующих разделах рассматриваются наиболее распространенные задачи по измерению уровня, а также разъясняется порядок применения различных методов измерений. При этом затрагиваются важные аспекты, которые следует учитывать при выборе устройства или системы измерения уровня для конкретного применения, а также преимущества и ограничения средств измерения уровня.

1. Для чего измеряется уровень?

1.1 Технологический учет запасов

Основной причиной для измерения уровня является необходимость отслеживать количество продуктов в единицах объема или массы. Промышленные требования по технологическому учету постоянно ужесточаются. Измерение уровня является одним из ключевых компонентов системы учета резервуарных парков для обеспечения надежного и точного управления запасами сырья и готовых продуктов.

К другим измерениям, выполняемым при технологическом учете, относятся измерение температуры, давления и уровня подтоварной воды. За последние несколько лет учет запасов приобрел особое значение не только для оперативного персонала, но и для компаний в целом, включая руководителей и лиц, ответственных за материальный учет и анализ непроизводительных потерь. Это является результатом повышенного внимания к вопросам безопасности, стоимости владения и стоимости продукции. В подавляющем большинстве случаев для задач учета запасов требуется погрешность измерения уровня не более ±3 мм. 

1.2 Коммерческий учет

Во многих случаях расчет количества покупаемого или продаваемого продукта (передаваемого на ответственное хранение) основывается на значении уровня продукта, по которому рассчитывается либо объем или масса (с применением математических уравнений или градуировочных таблиц, см. стр. 12). При коммерческом учете требования к погрешности уровнемера очень высоки, так как величина погрешности порядка 3 мм может привести к очень значительной ошибке при вычислении объема.

Для учета должны использоваться приборы утвержденного образца, точность которых, как правило, превышает 1 мм. Руководящие указания и рекомендации по применению приборов измерения уровня для коммерческого учета приводятся в международных стандартах.

1.3 Эффективность технологических процессов

Точное измерение уровня повышает эффективность. Например, если в резервуарном парке необходимо постоянно иметь в наличии определенное количество сырья, а у резервуаров не используется их полная емкость, предприятие будет нести расходы на приобретение и обслуживание дополнительных резервуаров хранения. Показанные на Рисунке 1.1 резервуары могут принять дополнительные 60 объемных единиц продукта прежде, чем потребуется приобретение нового резервуара для расширения парка. Эффективное использование объема предотвращает дополнительные расходы на приобретение дополнительных резервуаров.

Рис. 1.1: Эффективность хранения

 

1.4 Безопасность

Измерение уровня осуществляется также с целью обеспечения безопасности. Наполнение открытых резервуаров сверх расчетной емкости может создать угрозу для безопасности - перелив (переполнение). Если в резервуарах хранятся едкие, химически активные, горючие или токсичные материалы, перелив или создание повышенного давления может вызвать катастрофические последствия. У резервуаров с продуктами такого типа важно также контролировать уровень для уверенности в отсутствии утечек. Кроме того, предупреждение переливов и обнаружение утечек важно для удовлетворения требований природоохранного законодательства.

1.5 Равномерная подача

Во многих технологических процессах необходимо обеспечить равномерную подачу продукта на входе и выходе. Обеспечение постоянства подачи может быть затруднено из-за колебаний скорости потока или давления в подающей линии. Резервуар, помещенный между источником и технологическим процессом, может выступать в качестве буферной емкости и обеспечить постоянство потока на выходе независимо от флуктуаций на входе (Рисунок 1.2). Если технологический уровень в накопительном резервуаре постоянно поддерживается в заданном диапазоне, то интенсивность подачи на входе резервуара может возрастать и уменьшаться, не оказывая влияния на интенсивность подачи из резервуара в технологический процесс.

Постоянство подачи непосредственно влияет на качество продукции в целлюлозно-бумажной промышленности, так как этим обеспечивается одинаковая толщина всех выпускаемых листов бумаги.

Рис. 1.2: Обеспечение равномерной подачи

2. Терминология измерений уровня

Значение уровня выражается, как правило, в единицах длины. Уровень может также быть выражен в % от значения, соотвествующего полному резервуару или в % от диапазона измерений. Например, уровень в резервуаре на Рисунке 2.1 может быть представлен, как 2,7 м, 90% от полной емкости или 50% от диапазона измерений. Диапазон измерений - это расстояние между низшим и высшим значениями, измеряемыми датчиком уровня (LT) в конкретном применении. На Рисунке 2.1 диапазон измерений от 8 до 10 футов (2,45 - 3 метра).

Рис. 2.1: Измерение уровня

2.1 Индикация и регулирование

Индикатор уровня обеспечивает местное отображение уровня. Индикатор требует присутствие оператора, для считывания его показаний и выполнения соответствующих операций. Системы, в которых используются индикаторы уровня, называются разомкнутыми системами управления. Индикаторы также часто используются в качестве вспомогательного средства при калибровке автоматических систем управления.

Автоматические системы управления, или системы с обратной связью, могут регулировать уровень в резервуаре. Уровенмер, оснащенный средствами дистанционной передачи измерительной информации, генерирует сигнал, пропорциональный уровню в резервуаре. Этот сигнал передается в регулятор, который воздействует на исполнительные устройства (клапаны или насосы), которые, в свою очередь, управляют расходом продукта на входе и выходе резервуара. Резервуары с автоматическим управлением могут также оснащаться индикаторами для измерения уровня.

Точное измерение уровня жидкости в емкости, реакторе или ином резервуаре имеет большое значение для многих технологических процессов. Для обеспечения качественного управления процессом важно обеспечить измерение уровня с конечной погрешностью. В данном разделе представлены принципы работы средств измерения уровня и техническая терминология, а также, каким образом на основании измерений уровня можно определить другие свойства среды (например, объем и плотность).

2.2 Система управления резервуарным парком, непрерывное и дискретное измерение уровня

Система управления резервуарным парком

Система управления резервуарным парком применяется в случаях, когда на предприятие закзачика поступает сырье, которое хранится в накопительных резервуарах, а также при отгрузке готовой продукции, то есть когда есть задача технологческого или коммерческого учета запасов сырья/готовой продукции. Высота резервуаров обычно составляет от 10 до 30 метров. В некоторых случаях они бывают и меньших размеров, например, резервуары для присадок. Требования к погрешности измерения достаточно высоки - порядка .3 мм.

Типичные области применения систем управления резервуарными парками:

• Большие резервуарные парки на нефтебазах, нефтяных терминалах и нефтепроводах;

• Резервуары для хранения сырья / промежуточного продукта / готовой продукции на нефтеперерабатывающих предприятиях;

• Большие емкости для хранения сырья и готовой продукции на химических и асфальтовых заводах, электростанциях и топливных складах аэропортов.

Обычно в системе управления резервуарным парком, кроме уровня, выполняются измерение температуры, давления и уровня подтоварной воды. В систему управления парком включается оборудование связи, рабочие станции и программное обеспечение. Измеренные значения используются для расчета полезного объема, передаваемого потребителю (в коммерческих целях), учета запасов, для решения эксплуатационных задач и обеспечения безопасности. Измереннные значения часто используются для оформления коммерческих документов и должны быть очень точными, воспроизводимыми и надежными, полностью отвечая требованиям стандартов API MPMS 3.1 В и OIML R85, или национальных норм точности. Обладая инструментальной погрешностью +/-0.5 мм, система управления резервуарным парком от Rosemount соответствует требованиям этих международных стандартов к погрешности измерений и одобрена органами государственного регулирования многих стран.

Уровнемеры непрерывного измерения

В технологических процессах чаще применяются уровнемеры с непрерывным выходным сигналом. Как правило, в системе управления измеряемый уровень является независимым входным сигналом. При этом надежность и воспроизводимость показаний имеют большее значение, чем погрешность измерения. Требуемая погрешность измерений обычно составляет 5..10 мм.

Уровнемеры с непрерывным выходным сигналом востребованы во многих отраслях промышленности - химической, нефтегазодобывающей, энергетической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей, фармацевтической, в производстве продуктов питания и других технологических процессах. Резервуары в технологических процессах отличаются широким разнообразием размеров и формы, но высота большинства из них не превышает 18 м. Во многих случаях измерение уровня выполняется в выносной камере, устанавленной снаружи резервуара, рядом с участком, где необходимо знать значение уровня.

Условия измерения могут разниться, в зависимости от положения, которое резервуар занимает в технологическом процессе. Промежуточные резервуары, отстойники являются достаточно простыми для измерения уровня. Измерение уровня в выносной камере также является распространненым случаем измерения уровня, в реакторах и резервуарах-смесителях существуют некоторые сложности.

Точечное измерение уровня

Сигнализаторы уровня часто применяются в дополнение к уровнемеру с непрерывным выходным сигналом для сигнализации верхнего и нижнего уровней. Сигнализаторы могут использоваться и самостоятельно для индикации заполненного или пустого состояния резервуара. Выбор типа сигнализатора определяется условиями механического монтажа, а также особенностями технологического процесса.

Выбор метода измерения с учетом применения

Понимание всех требований заказчика упрощает выбор средств дискретного/непрерывного измерения уровня для системы контроля параметров в резервуаре. В Главе 4 рассмтаривается ряд вариантов применений, приведены рекомендации по выбору подходящих методов измерения, ключевая информация по монтажу и рассмотрен передовой опыт применения уровнемеров различных типов. Так как рассматривать все возможные варианты применения практически нецелесообразно, приведенные в этой главе применения были выбраны с целью дать обзор наиболее распространенных решений, встречающихся во многих отраслях промышленности, а также некоторые из задач, которые сопряжены с некоторыми проблемами по измерению. Кроме того, приводятся примеры с применением различных методов измерений. Однако окончательное решение по выбору технологии будет зависеть от сочетания условий эксплуатации, ограничений по монтажу и возможностям метода измерения.

2.3 Контактные и бесконтактные измерения

При контактных измерениях часть измерительной системы находится в непосредственном контакте с содержимым резервуара. Примерами контактных методов измерения являются волноводные, поплавковые уровнемеры и метрштоки.

При бесконтактных измерениях ни одна из частей измерительной системы не находится в непосредственном контакте с содержимым емкости.

Бесконтактные методы предпочтительны в случаях, когда измеряемая жидкость обладает особо абразивными, вязкими или коррозионными свойствами, имеет склонность к кристаллизации, либо загрязнена.

2.4 Измерения «сверху» и «снизу»

Измерение «сверху вниз» обеспечивает меньше возможностей для утечек (Рисунок 2.2) и позволяет установить или демонтировать измерительные приборы без опорожнения резервуара (например, радарный уровнемер). Нисходящие измерения могут выполняться в контакте или без контакта с технологической жидкостью.

Приборы для измерения уровня, в которых используются датчики давления, относятся к системам, реализующим измерение "снизу". Уровнемер, реализующий такой принцип измерения, обычно соприкасается с технологической средой (например, датчик перепада давления).

Рис. 2.2: Измерение «сверху» и измерение «снизу»

2.5 Прямое и косвенное измерение уровня

Прямое измерение уровня реализуется в случае непостредтвенного измерения расстояния до поверхности. Например, пользуясь щупом для проверки уровня масла в двигателе автомобиля, Вы выполняете прямое измерение. Результаты прямого измерения не зависят от каких-либо других параметров технологического процесса.

Косвенное измерение, называемое также расчетным, подразумевает определение значения переменной, не являющейся уровнем, с последующим преобразованием полученного результата в значение уровня жидкости. Например, в датчиках давления для вычисления уровня используются значения массы и удельного веса жидкости.

2.6 Плотность

Плотность - это масса единицы объема материала. Плотность чаще всего выражается в килограммах на кубический метр (кг/м3). Часто для выражения плотности используется величина удельного веса - плотность среды по отношению к плотности воды.

Удельный вес

Удельный вес - это отношение плотности материала к плотности воды при одинаковой исходной температуре. Вода имеет плотность 1,00 г/см3 при температуре 4 °C. Глицерин, соединение, часто используемое в составе мыла, имеет плотность 1,26 г/см3. Таким образом, при одинаковой температуре удельный вес глицерина равен 1,26.

2.7 Объем

Объем - это пространство, занимаемое данным количеством материала, и уровень часто используется для вычисления объема. Объем обычно выражается в галлонах, литрах, кубических метрах или баррелях. Определение объема по значению уровня - это наиболее распространенный вид расчетов.

При определении объема сначала выполняется измерение уровня в резервуаре, после чего рассчитывается величина объема на основании геометрических данных резервуара.

В электронных модулях многих уровнемеров хранятся данные о геометрии резервуаров распространенных типов, что позволяет получить выходной сигнал в единицах объема.

В других случаях вычисление объема может осуществляться в распределенной системе управления (РСУ) или программируемом логическом контроллере (ПЛК), либо определяться по таблицам преобразования значений уровня в объем.

На следующей странице приведены соотношения между уровнем объемом для ряда распространенных форм резервуаров:

Рис. 2.3: Вертикальный цилиндр

Рис. 2.4: Горизонтальный цилиндр

Рис. 2.5: Сфера

Рис. 2.6: Вертикальный буллит

Рис. 2.7: Горизонтальный буллит

Резервуары с выпуклыми днищами

Резервуары с выпуклыми днищами не имеют стандартной формы (Рисунок 2.8). Поэтому объем эти резервуаров нельзя получить путем строгих геометрических расчетов. В этом случае для определения объема используются градуировочные таблицы.

Рис. 2.8: Резервуары с выпуклыми днищами

Градуировочные таблицы

Вычисление объема по значению уровня и геометрии резервуара обеспечивает достаточную точность для потребностей большинства пользователей. Однако в некоторых случаях резервуар может иметь неправильную форму, что делает практически невозможным вывод математического соотношения между уровнем и объемом. В таких случаях объем может быть рассчитан по значению уровня и по градуировочной таблице.

В градуировочной таблице устанавливается взаимосвязь между объемом и рядом дискретных значений уровня в резервуаре (Рисунок 2.9). Градуировочные таблицы обычно получают путем добавления известного объема продукта в резервуар с последующим измерением уровня, соответствующего этому объему (ручная привязка). Измеренные значения объема и уровня записываются в градуировочную таблицу. Впоследствии, при необходимости определить объем жидкости, выполняется измерение уровня и по градуировочной таблице определяется соответствующее значение объема.

Рис. 2.9: Градуировочная таблица

Градуировочные таблицы могут содержать лишь несколько точек для описания формы резервуара, или состоять из сотен пар значений уровень/объем. Большее количество точек используются для крупных резервуаров, которые могут изменять форму при заполнении. Если измеряемое значение уровня попадает в промежуток между двумя точками в таблице, объем определяется методом интерполяции по двум точкам. Как правило, градуировочные таблицы имеют меньший шаг значений уровня в тех областях резервуара, где зависимость между уровнем и объемом нелинейна. Например, на Рисунке 2.9 градуировочные точки сосредоточены вблизи днища резервуара. Это способствует увеличению разрешающей способности таблицы и уменьшению погрешности измерений.

Существует несколько причин для корректировки показаний уровнемера по градуировочной таблице.

При наливе продукта в резервуар его боковые стенки деформируются. Деформация резервуара вызывает дополнительную погрешность в расчетах, основанных на неизменной геометрии резервуара. Величина погрешности зависит от степени деформации. Градуировочные таблицы часто используются для устранения погрешности, возникающей из-за деформации резервуара (Рисунок 2.11).

Кроме того, в градуировочных таблицах содержатся зависимости уровень/объем для резервуаров неправильной формы (Рисунок 2.9) или для резервуаров с внутренним оборудованием (Рисунок 2.10).

Рис. 2.10: Резервуар с внутренним оборудованием

В некоторых случаях (например, при хранении или транспортировке нефти) ошибки, связанные с деформацией резервуара, могут привести к завышению или занижению сумм, выставляемых поставщиками к оплате потребителям.

Рис. 2.11: Ошибка из-за вздутия резервуара

2.8 Масса

Масса, как количество вещества, содержащегося в объекте, часто отождествляется с весом. Масса обычно выражается в килограммах, граммах, тоннах или фунтах. Масса не подвержена влиянию температуры. Так, 30 кг нефти при температуре 10 °С - это та же масса при 30 °С. Однако общий объем нефти может измениться в результате теплового расширения.

Если известна плотность материала, то массу можно рассчитать при помощи следующего уравнения, предварительно определив объем на основании измерений уровня:

Масса = Плотность x Объем

Некоторые приборы для измерения уровня могут измерять массу непосредственно (например, тензодатчики).

2.9 Граница раздела сред

Граница раздела - это слой между двумя несмешиваемыми (не поддающимися перемешиванию) жидкостями с различной плотностью (например, нефть и вода). Измерение поверхности раздела сред позволяет определить положение границы между жидкостями с различной плотностью, хранящимися в одном и том же резервуаре. Например, если поместить нефть и воду в один и тот же резервуар слой нефти держится на поверхности воды. Граница раздела между двумя жидкостями - это верхний уровень воды и нижний уровень нефти (Рисунок 2.12).

Уровень поверхности раздела часто используется для откачки из резервуара только верхнего продукта. Измерение положения границы раздела позволяет определить момент прекращения откачки продукта.

Рис. 2.12: Граница раздела сред

Измерение положения границы раздела может также использоваться в сепараторе для управления расходом верхней и нижней жидкостей на выходе из резервуара при минимальном уровне загрязнения.

Рис. 2.13: Измерение уровня и положения границы раздела сред в сепараторе

3. Выбор уровнемера

В связи с большим разнообразием приборов для измерения уровня выбор подходящего уровнемера для конкретной прикладной задачи может быть затруднен. Несмотря на то, что большинство методов измерения уровня можно использовать в различных технологических процессах, не существует универсального уровнемера, пригодного для всех случаев. Однако, задавая правильные вопросы и уточняя основные требования технологических процессов, заказчик может значительно сузить круг поиска и определить, какой уровнемер будет лучше всего работать в том или ином случае.

3.1 Зачем необходимо измерять уровень?

Вам необходима индикация уровня продукта, или желательно точно знать, какое количество продукта находится в резервуаре?

Ответ на этот вопрос покажет, какая информация должна поступать от уровнемера и какой тип измерений необходим (например, измерение массы или дискретный контроль). Например, если закачик хочет предотвратить перелив или узнать, когда возникнет необходимость пополнения резервуара, то сигнализатора уровня будет вполне достаточно. Если же необходимо поддерживать объем продукта в резервуаре в определенных пределах, потребуется уровнемер с непрерывным выходным сигналом. Если закачику необходимо знать расход продукта в тоннах, нужны измерения массы. При необходимости организовать управление материальными запасами или коммерческий учет потребуется полноценная система контроля параметров в резервуаре.

3.2 Нужно ли измерять уровень границы раздела сред?

Перед тем, как приступить к выбору прибора для измерения уровня границы раздела сред, необходимо принять во внимание ряд факторов.

Для измерения границы раздела можно применять уровнемеры двух типов - волноводный уровнемер и датчик перепада давления. Ниже приводятся некоторые соображения, которые следует учесть при выборе одного из этих методов.

Волноводный уровнемер

Измерение положения границы раздела сред, основанное на различии диэлектрических постоянных двух жидкостей

Примеры типичных прикладных задач: нефть поверх воды, нефть поверх кислоты, органические растворители с низкой диэлектрической постоянной поверх воды или кислоты. К растворителям с низкой диэлектрической постоянной относятся толуол, бензол, циклогексан, гексан, терпентин и ксилол.

• Жидкость с низкой диэлектрической постоянной должна находиться сверху;

• Перепад значений диэлектрических постоянных жидкостей должен составлять не менее 10;

• Диэлектрическая постоянная верхнего продукта должна быть известной (ее можно определить в условиях эксплуатации);

• Максимальная толщина слоя верхнего продукта зависит от диэлектрической проницаемости материала;

• Для определения границы раздела сред толщина верхнего слоя жидкости должна быть от 10 см до 20 см, в зависимости от модели уровнемера

и типа зонда. За подробной информацией обратитесь к разделу 5 "Рекомендации по монтажу волноводных уровнемеров";

• Типовое применение: верхний продукт с низкой диэлектрической постоянной (менее 3), нижний продукт с высокой диэлектрической постоянной (более 20);

• Возможно одновременное измерение уровня и уровня границы раздела сред;

• На измерение уровня границы раздела может повлиять наличие эмульсионного слоя. Результаты измерений будут зависеть от смешиваемых жидкостей. В большинстве случаев положение поверхности раздела определяется по верхней границе эмульсионного слоя. Тонкие эмульсионные слои (толщиной до 50 мм) не оказывают влияние на измерение.

Рис. 3.1: Измерение границы раздела сред волноводным уровнемером

Датчик перепада давления

Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей

• Датчик перепада давления;

• Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей;

• Обе мембраны датчика давления должны быть под жидкостью;

• Расстояние между отводами (L) x Разность удельных весов = Перепад давления;

Рекомендуемая величина перепада давления не менее 500 мм водяного столба;

Возможно только измерение уровня раздела сред;

Наличие эмульсионного слоя или нечеткая граница раздела не влияет на измерения.

Рис. 3.2: Измерение границы раздела датчиком дифференциального давления

3.3 Каковы условия внутри резервуара?

Необходимо ли уровнемеру работать в условиях высокого давления и температуры?

Уровнемеры некоторых типов могут достаточно надежно работать при высоком давлении и высокой температуры, в то время как возможности других ограничены. На выбор типа уровнемера влияют допустимые пределы рабочих давления. В Таблице 3.1 приведены допустимые пределы рабочих парметров для некоторых наиболее распространенных типов уровнемеров.

У некоторых уровнемеров устойчивость к воздействию параметров процесса достигается за счет ухудшения измерительных характеристик. Многие уровнемеры могут иметь повышенную погрешность измерения при колебаниях температуры технологического процесса.

Каково состояние поверхности, если поверхность неспокойная - какова причина - налив, перемешивание? Образуется ли пар или другие испарения над поверхностью продукта?

Измерение уровня приборами, рализующими измерение "сверху" может быть затруднено из-за неспокойного состояния поверхности или наличия паров. Например, принцип работы некоторых уровнемеров основывается на отражении сигнала от поверхности продукта. Неспокойная поверхность продукта или пары могут ослаблять сигнал, либо привести к отсутствию отражения от поверхности. Состояние поверхности и парогазовой фазы в резервуаре в меньшей степени влияют на уровнемеры, реализующие принцип измерения «снизу».

Присутствуют ли в резервуаре границы раздела сред, градиент температуры продукта, пена, взвешенные частицы?

Наличие границы раздела сред, неравномерности температуры, пены, взвешенных частиц или препятствий внутри резервуара может повлиять на достоверность результатов, в зависимости от выбранного метода измерений. Например, взвешенные частицы могут вызывать засорение чувствительных элементов. Наличие пены требует особого внимания, так как одним заказчикам требуется измерение уровня поверх слоя пены, а другим - под ним.

Имеются ли какие-либо ограничения по монтажу в резервуаре?

Следует, по возможности, использовать существующие отводы и патрубки резервуара. В некоторых случаях монтаж затруднен из-за наличия стеклянной футеровки или сдвоенных стенок в резервуаре. У небольших емкостей меньше доступное пространство для монтажа. Доступ к резервуарам может быть ограничен из-за расположения под землей, либо из-за близкого расположения резервуаров друг к другу, из-за высоты помещения, из-за наличия термизоляции/подогрева. Плавающая крыша в резервуаре может ограничить монтаж уровнемеров, реализующих измерение «сверху».

Должен ли прибор монтироваться в выносной камере?

Камеры обеспечивают доступ к уровнемерам для калибровки или устранения неисправностей без остановки технологического процесса. Кроме того камера может быть установлена так, чтобы охватывать интересующий диапазон уровней, вместо измерения уровня во всем резервуаре. Диаметр отводных труб должен быть достаточным для обеспечения свободного сообщения камеры и резервуара и достоверного измерения уровня в резервуаре. По этой же причине расстояние между резервуаром и камерой должно быть минимальным.

Для того чтобы температура жидкости в камере была как можно ближе к температуре в резервуаре, может потребоваться ее теплоизоляция или обогрев.

Таблица 3.1: Рабочие пределы давления и температуры

Принцип измерения	Давление*	Температура
Радиоизотопный	Нет ограни­чений	Нет ограниче­ний
Емкостной	-1 .. 345 бар	-129 .. 482 °С
Буйковый	-1 .. 276 бар	-40.. 482 °С
Датчик давления с выносными мембранами	-1.. 276 бар	-73 ..316°С**
Датчик давления	-1 .. 276 бар	-40 .. 193 °С
Ультразвуковой бесконтактный уровнемер	-0,25 .. 3 бар	-30 .. 70 °С
Бесконтактный радар	-1 ..55 бар	-40 .. 400 °С
Волноводный уровнемер	-1 .. 345 бар	-196 ..400 °С
Вибрационный сигнализатор	-1 .. 100 бар	-70 .. 260 °С
Поплавковый сигнализатор	-1 .. 200 бар	-60 .. 400 °С

* Полный вакуум = -1 бар; атмосферное давление = 0 бар

** Верхний предел температуры для уплотнений в вакуумных установках ограничен.

3.4 Каковы условия эксплуатации?

Какое влияние будут оказывать условия окружающей среды на технические характеристики прибора?

При монтаже внутри помещения обеспечивается достаточно стабильная окружающая среда с минимальными колебаниями температуры и постоянной влажностью. Уровнемеры, установленные на резервуарах вне помещений, в большей степени подвержены воздействию температуры и влажности. К другим внешним факторам, которые следует учитывать, относятся вибрация, электромагнитные помехи, и переходные процессы (импульсные помехи, вызванные грозовыми разрядами). Блоки защиты от переходных процессов и надежное заземление позволяют организовать достаточную защиту от переходных процессов.

3.5 Каковы характеристики продукта?

Уровнемеры одного типа не могут одинаково хорошо работать во всех возможных технологических процессах. Для применения в процессах с агрессивными технологическими жидкостями могут потребоваться уровнемеры, смачиваемые части которых изготовлены из специальных материалов. В таком случае, убедитесь, доступны ли подобные материалы у выбранного поставщика контрольно-измерительного оборудования, не исключено, что лучшим выбором будет бесконтактный уровнемер.

Особенности технологического процесса могут по-разному влиять на уровнемеры различного типа:

• Вязкий продукт может забивать чувствительные элементы некоторых уровнемеров;

• Пыль, пена и пары могут мешать распространению измерительного сигнала;

• Изменение плотности продукта вызывает дополнительную погрешность в работе датчиков давления, если не применяется компенсация;

• Изменение диэлектрической постоянной (электрохимическое свойство жидкости, обусловленное ее способностью передавать электрический заряд от одного тела другому) влияет на работу емкостных уровнемеров;

• Отложения продукта могут повлиять на чувствительность уровнемеров контактного типа;

• Сыпучие материалы имеют тенденцию к слеживанию и, как правило, не образуют плоскую поверхность. Выберите, в какой точке конуса/воронки будет измеряться уровень, и убедитесь, что значение уровня в этой точке обеспечивает достоверное представление об уровне среды в бункере.

3.6 Каковы требования к погрешности измерений в данном применении?

Как определяется погрешность уровнемера?

Уровнемер, который хорошо работает в небольшом резервуаре, может не обеспечить требуемую погрешность измерений в большем резервуаре. Например, относительная погрешность 0,1 % от диапазона измерений обеспечивает абсолютную погрешность уровня ±1,5 мм в резервуаре высотой 1,5 м. Этот же уровнемер обеспечивает погрешность ±15 мм в резервуаре высотой 15 м.

Для уровнемеров, реализующих измерение «сверху», например, радарных уровнемеров, указывается либо величина абсолютной погрешности (±3 мм), либо относительная погрешность, приведенная к измеряемому расстоянию. Следует принимать во внимание и дополнительную погрешность, возникающую из-за воздействия прочих факторов, в частности, из-за влияния температуры.

Необходима ли низкая погрешность измерения?

В некоторых случаях первостепенной задачей может быть способность обеспечить надежность измерений.

В других случаях воспроизводимость измерений, то есть способность обеспечить неизменный результат при неоднократном измерении стабильного уровня, может иметь гораздо большее значение, чем низкая погрешность.

В системах управления резервуарными парками (для коммерческого учета и управления запасами) применяется большое число уровнемеров с самой низкой погрешностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью измерений. Без обеспечения высоких измерительных характеристик влияние погрешности измерения на финансовую деятельность может быть очень велико, и было бы невозможно соблюдать требования международных и национальных стандартов к организации коммерческого учета.

3.7 Какие требования предъявляются к уровнемерам?

Какие виды сертификатов необходимы?

Сертификация для эксплуатации в опасных зонах должна отвечать местным требованиям. Для многих приборов может оказаться достаточным соблюдение

стандарта по взрывобезопасности, но для эксплуатации на некоторых предприятиях или установках может потребоваться сертификат искробезопасности или другие виды сертификатов. В других случаях может потребоваться обеспечить соответствие санитарным требованиям.

Имеется ряд действующих национальных стандартов на соответствие систем коммерческого учета и управления материальными запасами местным метрологическим требованиям. Основным международным стандартом для коммерческого учета является OIML R85 в обновленной редакции R85:2008.

Каковы требования к выходным сигналам?

Наиболее распространенным выходным сигналом является непрерывный аналоговый сигнал 4-20 мА, не смотря на широкое распространение промышленных цифровых протоколов передачи данных. Кроме того, приобретает популярность беспроводная передача сигналов. В некоторых случаях необходимы сигнализаторы для оповещения операторов и реализации системы противоаварийной защиты.

Для обеспечения высокого разрешения и низкой погрешности в системах управления резервуарными парками необходимо использовать полевые шины для передачи информации от полевых приборов в распределенную систему управления.

Какие источники питания используются?

Большинство приборов работает с питанием 12-24 В постоянного тока, хотя встречаются приборы, работающие от сети переменного тока 110..220 В. Некоторые приборы способны работать на пониженном напряжении питания или в беспроводных сетях с питанием от батарей.

3.8 Каковая совокупная стоимость прибора?

Цена уровнемера имеет большое значение, но не меньшее внимание следует уделять затратам на монтаж и техническое обслуживание. В целом, недорогие уровнемеры (как правило, механические), требуют большего объема технического обслуживания. Более сложные электронные приборы зачастую стоят дороже, но расходы на их техническое обслуживание значительно ниже. Первоначальная стоимость некоторых типов уровнемеров уменьшается по мере увеличения их технических возможностей и распространения на рынке средств измерения.

Еще одним фактором стоимости является срок службы уровнемера. Недорогой прибор, который нуждается в частой замене, может потребовать намного больших затрат, чем более дорогой, но и более долговечный, надежный и более подходящий к условиям эксплуатации уровнемер. В общем случае, уровнемеры с более высокими рабочими характеристиками стоят дороже.

3.9 Каковы условия работы оператора?

И наконец, рассмотрим удобство эксплуатации устройства.

Будет ли выбранный метод измерений понятен людям, которым придется пользоваться им повседневно?

Будет ли обеспечиваться простота установки, калибровки и технического обслуживания уровнемера?

Несмотря на то, что производительность и инженерные вопросы имеют решающее значение, удобство повседневной эксплуатации уровнемера может оказаться ключевым фактором для окончательного выбора и долговременного применения прибора.

4. Классификация методов измерения уровня

Существует много методов измерения уровня. Доступен выбор от простых ручных методов до более совершенных, не требующих контакта с измеряемым продуктом. Некоторые методы могут иметь варианты исполнения как для непрерывного, так и для дискретного измерения уровня. Если объединить приборы для измерения уровня с общими характеристикам в группы, то можно выделить следующие четыре категории:

• Ручные / механические

• Электромеханические

• Электронные контактные

• Электронные бесконтактные

В данном разделе рассмотрена каждая из групп приборов, и подробно рассматриваются их функции, преимущества и недостатки.

4.1 Ручные / механические

Приборы, относящиеся к категории ручных/механических, не формируют электрических выходных сигналов. Оператор использует прибор для визуальной индикации количества продукта в резервуаре. Примерами приборов для измерения уровня этой категории являются смотровые окна или метршток. Эти приборы недороги, но не могут работать автоматически.

4.2 Электромеханические

Приборы электромеханической категории представляют собой механизмы с множеством движущихся деталей, которые генерируют электрические выходные сигналы.

В отличие от ручных/механических приборов, электромеханические уровнемеры обеспечивают дистанционную передачу измерительной информации. Приборы с подвижными частями, как правило, требуют большого объема технического обслуживания. При воздействии на электромеханические уровнемеры липких, вязких или агрессивных сред создаются условия для загрязнения и коррозии подвижных механических частей, в результате его они часто требуют очистки и ремонта. Примером прибора для измерения уровня этой категории является буйковый уровнемер.

4.3 Электронные контактные

Приборы, относящиеся к категории электронных контактных приборов, не имеют подвижных частей. Несмотря на то, что электронные контактные уровнемеры могут подвергаться влиянию отложений или коррозии, они более надежны в эксплуатации и требуют меньшего объема обслуживания по сравнению с электромеханическими. Примерами приборов для измерения уровня этой категории являются волноводные, емкостные уровнемеры, а также датчики давления.

4.4 Электронные бесконтактные

Приборы из категории электронных бесконтактных обеспечивают измерение уровня современными техническими средствами без какого-либо соприкосновения с продуктом. Так как они не имеют движущихся частей и не контактируют с продуктом непосредственно, требования к техническому обслуживанию минимальны. Электронные бесконтактные уровнемеры проще установить, чем уровнемеры других типов, так как при этом обычно не требуется опустошение резервуара. На погрешность измерения могут оказывать влияние пары и пена. Примерами устройств этой категории являются радарные и ультразвуковые уровнемеры.

4.5 Стоимость и измерительные характеристики

Выбор того или иного типа уровнемера зависит от того, что больше интересует пользователя - цена прибора, или измерительные характеристики. Эти два критерия в неявном виде пропорциональны. С другой стороны, затраты на техническое обслуживание обратно пропорциональны измерительным характеристикам.

На Рисунке 4.1 показана взаимосвязь первоначальных затрат и эксплуатационных характеристик для различных групп уровнемеров.

Рис. 4.1: Зависимость стоимости от эксплуатационных характеристик

На Рисунке 4.2 показана взаимосвязь затрат на техническое обслуживание и эксплуатационных характеристик у различных групп уровнемеров.

Рис. 4.2: Зависимость затрат на техническое обслуживание от эксплуатационных характеристик уровнемера

4.6 Сводная таблица приборов для измерения уровня

В Таблице 4.1. «Классификация измерений уровня» приводится распределение различных технологий измерения по соответствующим категориям. В таблице также указывается, какие технологические параметры могут измеряться каждым из устройств.

Таблица 4.1: Классификация приборов для измерения уровня

Категория уровнемеров	Непрерывное измере­ние уровня	Дискретное измерение уровня	Плотность	Граница раздела	Масса
Ручные / механические
Поплавковые сигнализаторы		X		X
Поплавковые уровнемеры	X
Метршток / щуп	X	X
Визуальные указатели / смотровые стекла	X			X
Ленточные уровнемеры и системы	X		X	X
Электромеханические
Буйковый	X		X	X
Магнитострикционный	X			X
Ленточный резистивный	X
Ротационный сигнализатор		X
Сервоуровнемер	X			X
Электронные контактные
Емкостной	X	X		X
По электропроводности		X
Оптические		X
Датчик перепада давления	X		X	X	X
Волноводный уровнемер	X			X
Гибридная система	X		X		X
(датчик давления и радарный уровнемер)		X
Тепловые		X
Вибрационный сигнализатор (с камертоном)		X
Электронные бесконтактные
Лазер	X
Тензодатчик	X				X
Радиоизотопный уровнемер	X	X	X	X
Радарный уровнемер	X
Ультразвуковой уровнемер	X

 

5. Диэлектрическая постоянная и измерение уровня радарным уровнемером

«Что такое диэлектрическая постоянная?». Этот вопрос часто возникает в случаях, когда при выборе технологии измерения уровня рассматривается радарный или емкостной уровнемер. Работа бесконтактного радарного, волноводного и емкостного уровнемера в некоторой степени зависит от диэлектрической постоянной измеряемой среды. Так что же такое диэлектрическая постоянная, чем она определяется и какое влияние оказывает на уровнемеры?

5.1 Что такое диэлектрическая постоянная?

Для понимания физического смысла диэлектрической постоянной ее полезно рассмотреть в связи с понятием "диэлектрик". По определению, "Диэлектрик - это вещество с очень низкой электропроводностью, то есть изолятор. Такие вещества имеют электропроводность менее 1000 000 сименс/см. Вещества с несколько большей электропроводностью (от 10-6 до 10-3 сименс/см) называются полупроводниками. К наиболее распространенным твердым диэлектрикам относятся стекло, резина и аналогичные эластомеры, а также древесина и другие целлюлозные материалы. К жидким диэлектрикам относятся углеводородные и силиконовые масла, трансформаторное масло." (Источник: Hawley's Condensed Chemical Dictionary; 12th Edition. Richard Lewis).

Наряду с термином "диэлектрическая постоянная" широко распространено и другое ее название - "относительная диэлектрическая проницаемость", или количество энергии, которое может накапливаться в материале или передавать электромагнитное поле по сравнению с вакуумом. Диэлектрическая постоянная материала - это безразмерная величина, так как проницаемость материала рассматривается относительно проницаемости вакуума. Диэлектрическая постоянная проводника (например, меди) близка к бесконечности, потому что медь не может пропускать электромагнитное поле. Диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1,0006, так как он пропускает электромагнитное поле практически так же хорошо, как и вакуум.

Материалы, являющиеся хорошими изоляторами, имеют низкую относительную диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую постоянную). Электропроводящие материалы имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости. Несмотря на широкое использование, термин "диэлектрическая постоянная" не является предпочтительным, так как эта величина не является абсолютной, а диэлектрическая проницаемость не является константой - она зависит от частоты, давления, температуры, относительной влажности и других переменных параметров. (Источник: A Guide to characterization of dielectric materials at RF and microwave frequencies - The Institute of Measurement and Control, London 2003). При измерении уровня диэлектрическая постоянная (ДП) используется для характеристики отражающей способности материала.

Стандартные измерения диэлектрической постоянной выполняются относительно вакуума, диэлектрическая постоянная которого принята равной При измерении ДП прочих материалов она приводится в сравнении с величной ДП вакуума. Диэлектрические постоянные материалов, измеренная в одинаковых условиях, при 20°C:

• Воздух:  1,00058

• Бензол: 2,3

• Уксусная кислота: 6,2

• Аммиак: 15,5

• Этанол: 25

• Глицерин: 56

• Вода: 81

Электропроводность растворов зависит от химического состава, склонности к ионизации и концентрации. Несмотря на то, что простой формулы пересчета электропроводности в диэлектрическую проницаемость не существует, в общем случае можно уверенно полагать, что непроводящий материал будет иметь низкую диэлектрическую постоянную, а электропроводный - более высокие значения постоянной. Основным исключением из этого обобщения является вода.

Водные растворы, спирты, большинство неорганических кислот и щелочей имеют высокую диэлектрическую постоянную. Так как вода имеет полярную молекулу, ее диэлектрическая постоянная достаточно высока. Большинство углеводородов имеют неполярные молекулы, и поэтому для них характерны низкие значения диэлектрической постоянной.

Вода обладает уникальным сочетанием электропроводных и диэлектрических свойств. Например, электропроводность воды зависит от степени чистоты. Деионизованная и дистиллированная вода отличается высокой чистотой, так как из нее удалены соединения кальция, магния и железа. Несмотря на то, что деионизованная или дистиллированная вода обладает очень низкой электропроводностью (<2 мкСим), диэлектрическая постоянная остается достаточно высокой (>40). Питьевая вода в большинстве городов имеет электропроводность от 100 до 300 мкСим, но значение ДП при этом составляет от 70 до 80.

5.2 Какие факторы влияют на диэлектрическую постоянную?

Диэлектрическая постоянная вещества зависит от многих переменных. На ее значение может повлиять методика измерения, а также физические свойства вещества. К другим факторам можно отнести температуру и частоту электромагнитного излучения. Степень воздействия каждого из факторов может изменяться в зависимости от тестируемого вещества.

На диэлектрическую постоянную влияет дипольный момент молекул. Ассиметричные молекулы соединений имеют большой диполный момент, особенно те, которые состоят из атомов со значительно отличающимися значениями относительной электроотрицательности, например, вода. Ее молеула имеет явно выраженный центр с отрицательным зарядом (атом кислорода) и представляет собой "минимагнит4. В результате значение диэлектрической постоянной подобных соединений более высокое. Вещества, имеющие более симметричные молекулы, например, большинство нефтепродуктов и других углеводородов, в меньшей степени склонны к поляризации, и поэтому имеют низкое значение диэлектрической постоянной.

Значительное влияние на диэлектрические свойства могут оказывать фазовые превращения. Например, лед имеет диэлектрическую проницаемость 3,2 при -12 °C, а свежевыпавший снег (в котором содержится гораздо больше воздуха) имеет диэлектрическую проницаемость около 1,3 при -20 °C. Разная структура одного и того же вещества приводит к разному значению диэлектрической постоянной.

В парообразном состоянии вещество будет иметь более низкую диэлектрическую постоянную, чем в жидком. Диэлектрическая постоянная паров многих соединений такая же, как у воздуха, и лишь незначительно изменяется с повышением давления. Исключениями являются пары аммиака, водяной пар и некоторые другие газы. Эти газы при высоком давлении могут оказывать значительное влияние на скорость распространения микроволнового излучения.

5.3 Стабильность диэлектрической постоянной

Диэлектрическая постоянная может изменяться с изменением температуры и частоты электромагнитного излучения. Повышение температуры может вызвать уменьшение диэлектрической постоянной. Аналогично, повышение частоты, используемой при измерениях, может привести к уменьшению диэлектрической проницаемости некоторых жидкостей. Следует учесть, что для измерения диэлектрической постоянной используются частоты от 100 Гц до 25 ГГц и выше. Имеется ограниченное количество данных, подтверждающих эти изменения. Большинство данных по диэлектрическим свойствам приводятся только для одной частоты. По имеющимся данным, диэлектрическая постоянная многих жидкостей лишь незначительно изменяется с изменением частоты измерений, как правило, в знаках после запятой. Несмотря на достаточную стабильность диэлектрических свойств многих соединений, существуют и исключения. Ниже показаны примеры количественных изменений для масла на основе силикона, ароматического соединения и алифатического соединения.

Температура тоже может вызвать изменение диэлектрических свойств. Температура оказывает влияние на диэлектрическую постоянную материала в связи с тем, что изменяется количество молекул в известном объеме вещества. По мере повышения температуры диэлектрическая постоянная уменьшается, из-за увеличения расстояния между молекулами способность материала к передаче энергии электрических зарядов уменьшается. Однако, отклонения значений диэлектрической постоянной, наблюдаемые в углеводородах, составляют от 0,0013 до 0,05% на градус Цельсия.

Давление может вызывать повышение диэлектрической постоянной газа благодаря уменьшению расстояния между молекулами. Для большинства газов зависимость диэлектрических свойств от давления минимальна.

Для паров с минимальной величиной диэлектрической постоянной, подобных воздуху, ее величина возрастает при повышении давления незначительно. Диэлектрическая постоянная насыщенного водяного пара, относительно низкая при атмосферном давлении, сильно возрастает с увеличением давления и температуры.

Таблица 5.1: Диэлектрическая постоянная (ДП) некоторых сред на различных частотах

Среда	ДП	на частоте	ДП	на частоте
DC 710	2.98	100 Гц	2.60	10 ГГц
Пентахлордифенил	5.58	10 кГц	2.68	10 ГГц
Метанол	31	1000 кГц	8.9	10 ГГц
Авиационное топливо JP-1	2.12	10 кГц	2.09	3 ГГц

 

Таблица 5.2: Увеличение диэлектрической постоянной насыщенного водяного пара с ростом давления и температуры

Давление, бар	Температура, °С	ДП
1.0	100	1,006
15,5	200	1,064
39,7	250	1,152
85,9	300	1,351
165,4	350	1,863

 

5.4 Влияние ДП на измерение уровня

Отражение сигнала

При измерении уровня при помощи радара измеряемая среда должна обеспечивать достаточный уровень отраженного сигнала. В общем случае, чем выше диэлектрическая постоянная, тем сильнее отраженный сигнал. Тем не менее, значительную роль играют другие факторы. Чем дальше находится мишень, тем сильнее должен быть импульс, чтобы к радару вернулся сигнал достаточного уровня. Перемешивание может вызвать "рассеяние" части отражений и тем самым понизить интенсивность сигнала, принимаемого радарным уровнемером. Если перемешивание осуществляется в соединении с низкой диэлектрической проницаемостью, то посторонние отражения в резервуаре могут стать сильнее основных отраженных импульсов, используемых для измерения уровня жидкости.

Отражающая способность соединения поддается оценке и является функцией диэлектрической постоянной.

Ее можно определить следующим образом:

где R = отражающая способность, £r = относительная диэлектрическая постоянная

На Рисунке 5.2 показана зависимость отражательной способности от диэлектрической постоянной материала. По мере возрастания диэлектрической постоянной амплитуда отраженного сигнала тоже возрастает. На показанном ниже примере A (линия синего цвета) видно, что при относительной диэлектрической проницаемости, равной 4, около 11% сигнала отражается, а потери мощности составляют около 10 дБ. В примере B (пурпурная линия), при более высоком значении диэлектрической постоянной порядка 30, отражается около

Рис. 5.2: Зависимость отражающей способности от диэлектрической постоянной

Амплитуда эхосигнала

Интенсивность генерируемых сигналов главным образо- ми зависит от частоты и размеров антенны.

Коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

Если размер антенны и эффективность сохраняются постоянными, то это уравнение упрощается до выражения (1/λ)². Уровнемер, работающий на частоте 26 ГГц с длиной волны 1,2 см будет иметь коэффициент усиления в 6 раз выше, чем уровнемер с антенной аналогичных размеров, работающий на частоте 10 ГГц с длиной волны 3 см.

На Рисунке 5.3 приведено сравнение эффективности антенны на различных частотах в зависимости от расстояния при заданном значении диэлектрической проницаемости. На этих графиках частота радара изменяется при постоянных размерах антенны. Поверхность жидкости спокойная.

Рис. 5.3: Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния на различных частотах при постоянном значении диэлектрической постоянной и одинаковом размере антенны.

Общая ширина луча сигнала радара обратно пропорциональна частоте, на которой работает уровнемер. Таким образом, при неизменном диаметре антенны диаметр луча радарного уровнемера, работающего на более высокой частоте, будет меньше, чем у прибора с более низкой рабочей частотой. Например, на расстоянии 10 м при диаметре антенны 4" диаметр луча радарного уровнемера будет равен 1,5 м при частоте 26 ГГц и 7,0 м при частоте 6 ГГц. Диаметр луча уровнемера, работающего на частоте 6 ГГц, в 4,6 раза больше, чем у уровнемера, работающего на частоте 26 ГГц при одинаковом размере антенны.

Рис. 5.4: Сравнение угла и ширины луча для уровнемеров 5401 (6 ГГц) и 5402 (26 ГГц) с антеннами одинакового размера и типа

При увеличении размера антенны ширина луча уменьшается, и эффективно возрастает коэффициент усиления антенны. Таким образом, при увеличении диаметра антенны амплитуда эхосигналов так же возрастает.

На Рисунке 5.5 приводится зависимость амплитуды эхосигналов от расстояния для радарного уровнемера, работающего на частоте 6 ГГц, при различных размерах антенны, заданном значении диэлектрической постоянной и спокойном состоянии поверхности.

Рис. 5.5: Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния для антенн различного размера при неизменных значениях диэлектрической постоянной и частоты

Для любого радарного уровнемера амплитуда эхосигнала будет уменьшаться в случае меньшей диэлектрической постоянной продукта и с увеличением расстояния. Таким образом, сложность выполнения качественных измерений для материалов с низким значением диэлектрической постоянной возрастает с увеличением расстояния. Для бесконтактного радара размер антенны должен быть выбран наибольший

возможный как для повышения амплитуды, так и для улучшения условий приема отраженного сигнала. Уровнемер с более высокой рабочей частотой позволяет добиться подобной оптимизации, сохранив наименьший возможный размер антенны. Как результат - обеспечивается значительная экономия расходов на монтаж и облегчается обслуживание радарного уровнемера. Кроме фундаментальных зависимостей, то, насколько эффективно уровнемер будет излучать и принимать сигнал, и насколько он хорошо будет работать с ослабленным эхосигналом, будет зависеть от способностей уровнемера по обработке сигнала.

Волноводный радар

Зависимость работы волноводного уровнемера от диэлектрической постоянной и расстояния аналогична. Отличие волноводных уровнемеров заключается в том, что вместо размера антенны выбирается тип зонда. Коаксиальный зонд обеспечивает самую высокую амплитуду сигнала по всей длине зонда, в то время как у одинарного зонда характерна тенденция к рассеянию энергии при увеличении расстояния до поверхности.

В конечном счете, амплитуда эхосигнала зависит от диэлектрической постоянной, расстояния, типа зонда и метода обработки сигналов.

Рис. 5.6: Схематическое сравнение рассеяния сигнала для трех основных типов зондов волноводных уровнемеров. Слева направо: коаксиальный, двойной и одинарный зонды.

Измерения границы раздела сред при помощи радара

Для радарных уровнемеров обоих типов, при наличии двух несмешиваемых жидкостей, если верхняя имеет более низкую диэлектрическую постоянную, основная часть элктромагнитного сигнала будет проходить сквозь верхний материал. Лишь небольшая часть сигнала будет отражаться назад к уровнемеру. Так, для материала с низким значением ДП, например, для нефти с ДП = 2, менее 5% мощности будет отражаться обратно к уровнемеру. Остальная часть сигнала будет проходить к следующей жидкости. В случае измерения уровня поверхности раздела нефть/вода этот факт позволяет обнаружить границу раздела двух жидкостей. Так как скорость движения микроволнового сигнала через верхнюю жидкость изменяется, при определении толщины слоя верхнего продукта необходимо учесть изменение времени прохождения сигнала. Если диэлектрическая постоянная жидкости в верхнем слое известна, расчет выполняется по формуле:

Реальное расстояние = Электрическое расстояние / √ ДП среды

Емкостные уровнемеры

Для измерения уровня жидкости или уровня границы раздела сред емкостные уровнемеры используют принцип, основанный на измерении емкости конденсатора.

Конденсатор образуется при установке в резервуаре чувствиельного элемента уровнемера (электрода). Металлический стержень электрода выступает в качестве одной из пластин конденсатора, а стенка резервуара (или опорный электрод в неметаллических резервуарах) действует, как другая пластина. При повышении уровня воздух или газ, окружающий электрод, выстесняется жидкостью, имеющей другое значение диэлектрической постоянной. Изменение емкости конденсатора происходит из-за изменения диэлектрических свойств пространства между пластинами. Это изменение регистрируется электронными схемами для измерения емкости и преобразуется в пропорциональный выходной сигнал.

Зависимость для емкости конденсатора выражается уравнением:

C = 0,225 K (A / Д )

где:

С = емкость в фарадах;

К = диэлектрическая постоянная материала;

A = площадь пластин в квадратных метрах;

D = расстояние между пластинами в метрах;

В реальных условиях изменение емкости происходит различным образом в зависимости от измеряемого материала и выбора электрода для измерения уровня. Однако основной принцип всегда остается в силе. Если среда с низкой диэлектрической проницаемостью вытесняется средой с высокой диэлектрической проницаемостью, то суммарная емкость системы возрастает. При увеличении размеров электрода (возрастании эффективной площади поверхности) емкость возрастает; при увеличении расстояния между измерительным и опорным электродами емкость уменьшается. Уровень жидкости пропорционален измеряемой емкости. Так как емкость зависит от стабильности диэлектрических свойств среды по высоте, изменение диэлектрической постоянной будет оказывать влияние на суммарную погрешность измерения уровня или уровня границы раздела сред.

Как изменение диэлектрической постоянной влияет на погрешность радарных уровнемеров?

В общих случаях применения радарных уровнемеров для измерения уровня диэлектрическая постоянная материала влияет только на амплитуду эхосигнала поверхности. Изменения диэлектрической постоянной не оказывают какого-либо влияния на погрешность измерений. При определении влияния диэлектрической постоянной ее постоянство не имеет решающего значения. Вместе с тем, условное отнесение величины

диэлектрической постоянной к диапазонам низких, средних или высоких значений является частью информации, необходимой для определения наиболее подходящей модели радарного уровнемера. К другим сведениям, влияющим на выбор, относятся высота резервуара, размер патрубка, размер антенны или тип зонда, а также состояние поверхности.

Для расчета толщины верхнего слоя при измерении границы раздела сред величина диэлектрической постоянной верхнего продукта должна быть известна с определенной точностью. Часто это достигается настройкой параметров в ходе запуска уровнемера в эксплуатацию. Волноводные уровнемеры можно достаточно эффективно использовать для измерений границы раздела сред, их просто настроить как для измерения границы раздела, так и для измерения уровня. Дополнительная информация об измерения уровня поверхности раздела волноводным уровнемером приведена в разделе «Изменения диэлектрической проницаемости в углеводородах - влияние на точность измерения положения границы раздела сред при помощи радара».

5.5 Заключение

Диэлектрические свойства материала могут оказывать влияние на результаты измерений бесконтактных радарных, волноводных и емкостных уровнемеров. Значение диэлектрической постоянной определяется рядом переменных величин. В большинстве случаев изменения невелики и не оказывают заметного влияния на погрешность измерений радарных и волноводных уровнемеров, так как они измеряют время прохождения сигнала, отраженного от поверхности.

На работу емкостных уровнемеров колебания диэлектрической постоянной имеют большее значение, так как изменение свойств среды между пластинами пропорционально повлияет на значение уровня или уровня границы раздела. Величина диэлектрической постоянной является одним из параметров, определяющих выбор технологии измерений. К другим ключевым факторам следует отнести размеры и материал резервуара, тип зонда или антенны, а также состояние поверхности, в частности, наличие пены и турбулентности.

5.6 Источники информации

CRC Handbook of Chemistry and Physics - 75th edition

Dielectric Materials and Applications, Arthur von Hippel, ed.1954

Instrument Engineer’s Handbook - 3rd edition. Process Measurement and Analysis, Bela Liptak, editor-in-chief, 1995

Hawley’s Condensed Chemicals Dictionary, 12th edition 1995

 

6. Измерение уровня по перепаду давления

Давление, создаваемое столбом жидкости, определяется тремя факторами:

• Глубина жидкости

• Давление на поверхности жидкости

• Плотность жидкости

Использование этих переменных позволяет выполнить измерения уровня по величине дифференциального давления.

6.1 Глубина жидкости

Давление в точке, находящейся под поверхностью жидкости, возрастает по мере увеличения высоты столба жидкости над точкой измерения. На давление влияет высота столба жидкости, а не ее объем. Если другие факторы (в частности, плотность жидкости и давление на ее поверхность) остаются постоянными, давление на глубине 3 м в большом резервуаре объемом 20 кубических метров не отличается от давления на глубине 3 м в небольшой емкости, содержащей всего 20 л воды. Примером из повседневной жизни может послужить заплыв на глубине полутора метров под поверхностью воды в плавательном бассейне или на глубине полутора метров под поверхностью воды в большом озере. Несмотря на то, что озеро содержит гораздо большее количество воды, давление на Ваше тело на глубине полтора метра не возрастает пропорционально объему. Давление на глубине полтора метра в озере и в бассейне одинаково.

Так как давление жидкости прямо зависит от глубины (то есть уровня), измерение давления можно использовать для определения уровня.

6.2 Давление на поверхности жидкости

Давление на поверхности жидкости - это давление, прикладываемое над столбом измеряемой жидкости.

В открытом резервуаре на поверхность воздействует атмосферное давление (давление, оказываемое земной атмосферой). Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре поместить газ, то в результате на поверхности возникнет давление. Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре создан вакуум (безвоздушное пространство), то на поверхности возникнет отрицательное давление. Давление на поверхность жидкости в герметически закрытом объеме называется давлением в резервуаре. Для обеспечения корректного измерения давления столба жидкости необходимо учитывать влияние давления на поверхности. Эта компенсация осуществляется при измерении перепада давления.

Для измерения давления собственно столба жидкости, в частности, при измерениях уровня, измеренное на поверхности давление вычитается из суммарного давления.

6.3 Плотность жидкости

Плотность - это масса единицы объема определенного вещества. Жидкость с большей плотностью имеет большую массу на единицу объема. Жидкости с большей плотностью оказывают более высокое давление на данную площадь, чем жидкости с меньшей плотностью, так как единица объема жидкости с высокой плотностью тяжлее. Колебания температуры вызывают расширение и сжатие жидкостей, что приводит к увеличению или уменьшению их объема. При изменении объема жидкости изменяется и ее плотность.

Плотность часто выражают через удельный вес. Удельный вес - это отношение плотности определенной жидкости к плотности воды при одинаковой температуре. Вода имеет плотность 1000 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Вместе с плотностью жидкости указывается температура, потому что она влияет на плотность. Плотность бензина равна 660 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Для вычисления относительной плотности бензина, поделим его плотность на плотность воды:

660 кг/м³ / 1000 кг/м³ = 0,66

Так как относительная плотность представляет собой отношение плотностей, она не изменяется при изменении единиц измерения. Поэтому удельная плотность бензина 15,6 °С всегда равна 0,66, даже если значения плотностей бензина и воды выражены в других единицах измерения (напр. фунт/фут3):

41.2038 фунт/фут³ / 62.43 фунт/фут³ = 0,66

При умножении удельного веса на высоту столба жидкости получается гидростатическое давление.

Гидростатическое давление, представляет собой давление, создаваемое столбом жидкости. Гидростатическое давление прямо пропорционально относительной плотности жидкости и высоте столба жидкости.

В зависимости от того, где установлен датчик давления, необходимо выполнить расчеты для устранения возможных ошибок и обеспечить правильное считывание гидростатического давления прибором. Датчики давления могут быть установлены выше или ниже уровня отбора (точки, в которой должны измеряться параметры технологической жидкости).

Если датчик давления монтируется под отбором, столб жидкости в импульсной линии будет создавать дополнительное давление на сенсор прибора. Если известны длина импульсной линии и удельный вес жидкости, дополнительное гидростатическое давление можно исключить из результата измерений. Если датчик давления монтируется над отбром, сила тяжести будет воздействовать на столб жидкости, оттягивая ее от сенсора датчика и создавая отрицательное гидростатическое давление. Отрицательное гидростатическое давление так же может быть рассчитано и исключено из результата измерений давления.

6.4 факторы, влияющие на плотность

Плотность жидкости, по определению - это масса единицы объема материала. Масса, как количество вещества, содержащегося в объекте, часто отождествляется с весом, и выражается в единицах измерения веса: фунты, тонны, килограммы или граммы. При увеличении концентрации жидкости к ней добавляется дополнительная масса, и плотность изменяется. Например, 10 % серная кислота имеет плотность 1,07 кг/л, а концентрированная серная кислота имеет плотность 1,83 кг/л.

Масса не подвержена влиянию температуры. Однако по мере нагревания или охлаждения жидкости ее объем увеличивается или уменьшается, что вызывает изменение значения плотности (отношения массы к объему). Таким образом, температура оказывает значительное влияние на плотность. Для уровнемеров, у которых плотность учитывается в процессе измерений, изменение температуры будет влиять на значение уровня. Несмотря на возможность осуществления компенсации изменения плотности по температуре, плотность является фактором, который может внести существенную погрешность в измерение уровня, основанное на плотности.