В этих уровнемерах измерение уровня Н жидкости постоянной плотности r сводится к измерению гидростатического давления p, создаваемого жидкостью:
. (8.1)
Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется дифманометрическим.
Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис. 8.2.
Обе импульсные трубки дифманометра заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна).
Дифманометр измеряет разность давлений и , действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (8.1) можно записать выражения для этих давлений: ; . Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н,
. (8.2)
Рис. 8.2. Схема подключения дифманометра
при измерении уровня в открытом резервуаре
Если плотности и жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если , то
, (8.3)
где .
Из (8.2) и (8.3) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т.е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях появится также, если имеется разность плотностей и в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (8.3) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н.
Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств. Такие уровнемеры отличаются механической прочностью, простотой монтажа, надежностью. Но им присущ один существенный недостаток: чувствительный элемент дифманометров находится в непосредственном контакте с контролируемой средой. При измерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо использования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например, включения в импульсные линии разделительных устройств, продувка импульсных линий чистой водой и т.д.
Примером измерительных преобразователей для измерения уровня жидкости, работающих на принципе измерения гидростатического давления, является интеллектуальный датчик давления серии «Метран-100-ДГ».
Датчик предназначен для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 величины гидростатического давления.
Конфигурирование датчика в зависимости от модели микропроцессорного преобразователя (МП):
- кнопками со встроенной панели;
- с помощью HART-коммуникатора или HART-модема и программы HART-Master и компьютера;
- с помощью цифрового интерфейса RS-485.
Доступ к параметрам датчика осуществляется через ОРС-сервер.
Датчик оборудован встроенным фильтром радиопомех, внешней кнопкой установки «нуля». Обеспечена непрерывная самодиагностика датчика. Внешний вид датчика «Метран-100-ДГ» моделей 1533 и 1534 приведен на рис. 8.3.
Датчики гидростатического давления (уровня) «Метран-100-ДГ» имеют ряд верхних пределов измерений 40; 25; 16; 10; 6,3; 4 кПа для модели 1533 и 250; 160; 100; 63; 40; 25 кПа для модели 1543.
Выходной сигнал:
- 0÷5, 4÷20, 0÷20, 5÷0, 20÷4, 20÷0 мА. Для датчиков исполнения Ех – только 4÷20 мА;
- 4÷20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола;
- цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485, протоколы обмена ICP или Modbus, скорость обмена по цифровому каналу связи для датчиков с кодом МП4, МП5 устанавливается потребителем из следующего ряда: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.
Принцип действия заключается в следующем. При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности чувствительного элемента.
Рис. 8.3. Датчик «Метран-100-ДГ»
Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.
В памяти сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.
Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и далее:
- для датчиков с кодами МП, МП1, МП2, МП3 передает его в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал или цифровой в стандарте HART (МП2, МП3);
- для датчиков с кодами МП4, МП5 при помощи драйвера RS-485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи.
Датчики ДГ предназначены для технологических процессов с медленно меняющейся температурой рабочей среды, при этом температура измеряемой среды в зоне открытой мембраны не должна отличаться от температуры окружающего воздуха более чем на ±5 °С.
Датчики ДГ выдерживают со стороны открытой мембраны одностороннее воздействие перегрузки давлением, равным предельно допускаемому рабочему избыточному давлению; со стороны статической полости датчики выдерживают перегрузку давлением, в 1,25 раза превышающим верхний предел измерения модели.
Настройка параметров, контроль, управление и калибровка микропроцессорных датчиков «Метран-100-ДГ» с кодами МП4, МП5 осуществляются дистанционно как с помощью программных средств АСУТП, так и при помощи модема RS-485/RS-232 и программы ICP-Master.
Канальный уровень управляет доступом к физической среде, осуществляет контроль локальной сети, прием и последовательную передачу пакетов сообщений. Связь в протоколе осуществляется по принципу Главный или Мастер (контроллер, устройство сбора информации, управляющий компьютер) – Подчиненный (датчик «Метран-100», посылающий ответ на запрос Мастера). Сообщение представляет собой строку ASCII символов. Сообщения кодируются как последовательность восьмиразрядных байтов и передаются с использованием стандартного UART (Универсальный асинхронный приемник/передатчик) для посылки каждого байта.
Протокол допускает возможность работы на следующих скоростях: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.
Прикладной уровень описывает команды, поддерживаемые датчиком «Метран-100-ДГ», например:
- чтение значений давления;
- запись конфигурации (сетевой адрес датчика, скорость канала связи, формат представления данных, время демпфирования, единицы измерения);
- калибровку «нуля» давления;
- установку диапазона измерений давления;
- калибровку верхнего предела измерений давления;
- калибровку нижнего предела измерений давления;
- чтение конфигурации;
- чтение статуса и др.
Датчики гидростатического давления (уровня) могут использоваться для измерения уровня в резервуарах открытых, закрытых, но соединенных с атмосферой, в закрытых под давлением и работают только с однородными жидкостями.
Обычно датчики гидростатического давления устанавливаются на боковой стенке резервуара вблизи дна. Возможна установка датчика в дно резервуара при условии доступа к нему во время монтажа и эксплуатации, а также при отсутствии возможности осаждения веществ, растворенных в жидкости, на мембране датчика.
При установке в открытых резервуарах датчик гидростатического давления измеряет давление, соответствующее высоте столба жидкости над ним (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Схема установки датчиков «Метран-100-ДГ» при измерении гидростатического давления в открытом резервуаре
Датчик настроен на воздействие давления со стороны открытой мембраны; штуцер А соединен с атмосферой. dм – диаметр мембраны датчика.
Варианты установки датчика разности давлений «Метран-100-ДД» при измерении уровня в открытых резервуарах показан на рис. 8.5, а, 8.5, б и 8.5, в.
а б в
Рис. 8.5. Схемы установки датчика разности давлений
«Метран-100-ДЦ» при измерении уровня в открытых резервуарах
При установке в закрытых резервуарах давление над жидкостью Ризб оказывает влияние на результат измерения. Поэтому давление Ризб необходимо подать на датчик давления, соединив статическую полость датчика с объемом резервуара над жидкостью. Схема установки показана на рис. 8.6 при условии, что среда, находящаяся в верхней части резервуара, не конденсируется
Для процессов, где невозможно избежать обильного образования и накопления конденсата в трубе, соединяющей датчик с объемом на жидкостью, предлагается использование схем подключения датчика с уравнительным сосудом и соединительной трубкой, заполненных жидкостью. Плотность жидкости в резервуаре и уравнительном сосуде должна быть одинаковой. Схема подключения, показанная на рис. 8.7, предназначена при условии, что среда, находящаяся в верхней части резервуара, конденсируется.
Рис. 8.6. Схема установки датчиков «Метран-100-ДГ» в закрытом резервуаре под давлением
Рис. 8.7. Схема установки датчика разности давлений «Метран-100-ДД» при измерении уровня в закрытом резервуаре под давлением