Ультразвуковые и акустические уровнемеры

Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором — наоборот.

Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал.

5.1.7 Электрические уровнемеры

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектрика­ми; газы же, находящиеся в нажидкостном пространстве, всегда диэлек­трики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков - отно­сительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаи­модействия между электрическими зарядами.

В зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя „реагирует" на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на кондуктометрические, емкостные и индуктивные.

Кондуктометрические уровнемеры(уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (в том чис­ле, и жидких металлов). Первичный преобразователь (рис. 1) кондук-тометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уров­ня. Выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость. При измерении уровня „сверхпроводящих" жидкос­тей (например, жидких металлов) возможно применение кондуктометрических уровнемеров с одним электродом, роль второго электрода при этом выполняет заземленный сосуд.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров — непостоянство площадей поперечных сечений электродов (и вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов), а также образование на электродах пленки (окисла, соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконт­ролируемому снижению чувствительности датчика.

Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров сущест­венное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жид­кости, поляризация среды вблизи электродов.

Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов изме­рения уровня (даже при использовании различных компенсационных схем) достаточно высоки (5—10 %), поэтому они находят преимущест­венное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жид­костей.

Первичный преобразователь (рис. 2) емкостного уровнемерапредставляет собой коаксиальный цилиндрический конденсатор, внут­ренней обкладкой которого служит металлический зонд 1, покрытый изоляцией 2.

Зонд расположен по оси металлической трубы 3, являющей­ся наружной обкладкой датчика-конденсатора. Зазор между внешней по­верхностью изоляции зонда и наружной обкладкой называется рабочим зазором, сообщающимся через отверстия в нижней центровочной втулке и в наружной трубе с сосудом, в котором измеряется уровень. Жидкость, попадая через эти отверстия в рабочий зазор датчика, изменяет его кажу­щуюся емкость. Измерительная схема (вторичный преобразователь) ре­гистрирует разность кажущихся емкостей датчика при текущем и нуле­вом значениях уровня.

Вследствие простоты, удобства монтажа и обслуживания, надеж­ности и потенциально высокой точности (известны емкостные уровнеме­ры, основная погрешность которых не превосходит 0,1-0,2 %) емкост­ные уровнемеры находят широкое применение в промышленности.

К недостаткам емкостных уровнемеров относятся: высокая чувст­вительность к изменению электрических свойств жидкостей, обуслов­ленных изменением их состава, температуры и т. п., образование на эле­ментах датчика электропроводящей или непроводящей пленки вследст­вие химической активности жидкости, конденсации ее паров, налипания самой жидкости на контактирующие в ней элементы и т. п.

Оба указанных недостатка обусловливают появление существенных дополнительных погрешностей. С первым из них борются , применяя различные компенсационные схемы; второй устраняют, используя адге­зионные покрытия элементов датчика, вводя специальные присадки в жидкость, применяя „снос" образующейся пленки и т. д.

Первичный преобразователь индуктивных уровнемеров представля­ет собой катушку индуктивности. Проводящая жидкость при этом игра­ет либо роль шунта, изменяющего число витков катушки, либо роль эк­рана, влияющего на коэффициент самоиндукции катушки. В первом случае используются катушки с обнаженными витками. При перемещении уровня жидкости, обладающей высокой электропроводностью, часть витков шунтируется и соответствующим образом меняет индуктивность катушки первичного преобразователя — датчика.

Экранирующий эффект проводящей жидкости заключается в воз­никновении в ней вихревых токов (токов Фуко), электромагнитное по­ле которых оказывает размагничивающее действие на поле измеритель­ной катушки. При этом датчик выполняется в виде катушки, помещен­ной в защитный чехол (рис. 3). Чехол исключает контакт катушки с контролируемой жидкостью, обеспечивает возможность проведения монтажно-демонтажных работ без нарушения герметичности сосуда (что особенно важно, на­пример, при измерении уровня жидких тепло­носителей в ядерных реакторах). Однако при этом (особенно при больших толщинах чехла и малой электропроводности жидкости) резко уменьшается уровень полезного сигнала.

Наиболее существенное влияние на показа­ния (и на погрешность) индуктивных уровнеме­ров оказывают изменения электропроводности жидкости и чехла вследствие старения материа­ла, образования пленок и т. п.

Основная же погрешность индуктивных уровнемеров, обусловленная погрешностями его градуировки и измерительной схемы, мо­жет быть „уложена" в ±0,5 %