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 %