Безконтактні методи та прилади контролю рівня рідинних

середовищ. Широке використання отримують рівнеміри, які засновані на безконтактних методах вимірювання. Вони дозволяють контролювати рівень речовин незалежно від їх параметрів (агресивність, температура, густина тощо), мають великий діапазон (до 120 м) і точність вимірювання (похибка складає від ± 0,5%). До безконтактних методів контролю та вимірювання рівня відносяться наступні методи: візуальний; радіоізотопний, оптичний, радарний та ультразвуковий []. Класифікація наведених вище безконтактних методів контролю рівня представлена на рис. 4.5.

Візуальний метод вимірювання рівня засновано на спостереженні рівня речовини в трубці зі склом, яка за законом сполучених судин з‘єднана з верхньою та нижньою частинами ємності. Метод відноситься до найбільш точних. Абсолютна похибка вимірювання може бути меншою 0,01 мм. Недоліком цього методу є малий діапазон вимірювання, який пов’язаний з механічною міцністю скла та неможливість використання рівнемірів цього типу в автоматизованих системах керування (АСК) [].

У радіоізотопному методі використовується принцип поглинання енергії радіоактивного випромінювання при його проходженні скрізь речовину []. При зміні рівня контрольованого середовища змінюється кількість енергії, яка сприймається детектором при проходженні радіоактивних променів скрізь контрольовану речовину та газове середовище від джерела випромінювання. Найчастіше використовується джерело променів малої потужності. Радіоізотопні рівнеміри не отримали широкого розповсюдження через шкідливе для здоров‘я людини випромінювання, але використовуються у тих випадках, коли неможливо використовувати інші методи вимірювання рівня.

Рис. 4.5. Класифікація безконтактних методів контролю

та вимірювання рівня РС

До оптичного методу відносяться лазерні рівнеміри та відеорівнеміри. Принцип роботи лазерного рівнеміра заснований на визначені часу проходження лазерним імпульсом (електромагнітною хвилею) подвійної відстані від випромінювача до поверхні контрольованої речовини та розрахунку відстані до поверхні речовини за швидкістю світла та визначеним часом [26]. За визначеною відстанню та параметрами апарату визначається рівень контрольованої речовини. У лазерних рівнемірах найчастіше використовують інфрачервоне світло с довжиною хвилі 905 нм. До переваг цих рівнемірів можно віднести: можливість контролю рівня будь-яких речовин, можливість використання в апаратах будь-якої форми, великий діапазон вимірювання (до 60 м) та висока точність (від 0,13%). До недоліків цих рівнемірів слід віднести необхідність прогріву приладу після вмикання, чутливість до забруднення лінз оптичної системи приладу, високу ціну .

Відеорівнеміри є новим напрямком у розвитку приладів контролю рівня, обумовленим досягненнями у розвитку засобів перетворення зображень та алгоритмів розпізнавання образів []. Відеорівнемір являє собою програмно-аппаратний комплекс (рис. 4.6), який складається з:

- телевізійної камери 4, яка використовується як первинний перетворювач та встановлюється над поверхнею контрольованої рідини таким чином, щоб її оптична вісь проходила через вимірювальну лінійку;

- лампи підсвічування 3;

- каналу передачі телевізійного сигналу 5;

- комутатора 6;

- пристрою уведення телевізійного зображення 7;

- цифрового обчислювального пристрою 8;

- вимірювальної лінійки 9, яка розташована перпендикулярно поверхні контрольованої рідини на внутрішній поверхні ємності с поділками та зазначеним цифрами значенням рівня.

Рис. 4.6 Структурна схема відеорівнеміра

Відеорівнемір працює наступним чином. Зображення рівня та найближчої цифри з камери 4 передається до цифрового обчислювального пристрою 8, де виконується його первинна обробка та після знаходження вузлових точок розраховується рівень контрольованої речовини. Первинна обробка складається з наступних процедур: нейромережева фільтрація, заснована на чотирьох шаровій нейроній мережі прямого поширення; виділення меж ділянки зміни освітленості; гранична сегментація.

Для розпізнавання номерів цифр використовується нейрона мережа Ліппмана-Хеммінга. До переваг відеорівнемірів слід віднести високу точність вимірювань, яка може досягати 1 мм, надійність та багатофункціональність. До недоліків слід віднести вплив на точність вимірювання та вірогідність контролю рівня наступних факторів: забруднення вимірювальної лінійки при контролі рівня в‘язких або липких середовищ, наявність пилу при контролі рівня сипучих речовин або пари при контролі рівня речовин, що парують або киплять.

Існує два типи рівнемірів, які використовують радарний метод контролю рівня: імпульсні рівнеміри та рівнеміри з лінійним частотно-модульованим неперервним сигналом (або FMCW radar level transmitter). Імпульсні рівнеміри використовують метод визначення часу проходження радіосигналом подвійної відстані від рівнеміра до поверхні контрольованої речовини []. За визначеним часом та висотою ємності визначається рівень контрольованої речовини за формулою:

, (4.1)

де ‑ рівень контрольованої речовини;

‑ висота ємності;

‑ час, за який радіосигнал проходить подвійну відстань від рівнеміра до поверхні контрольованої речовини;

‑ швидкість розповсюдження світла.

Принцип роботи рівнемірів з лінійним частотно-модульованим неперервним сигналом засновано на методі лінійного частотно-модульованого неперервного випромінювання (FMCW - Frequency Modulated Continuous Wave) [24, 28]. Рівнемір працює наступним чином. Мікрохвильовий генератор формує радіосигнал, частота якого змінюється у часі за лінійним законом. (рис. 4.7). Цей сигнал випромінюється антеною у напрямку контрольованої речовини, відбивається від неї, а частина сигналу через певний час, який залежить від швидкості світла, повертається в антену. Випромінений та прийнятий сигнали перемішуються, в результаті чого виникає сигнал, частота якого дорівнює різниці частот прийнятого та випроміненого сигналу . Ця частота пропорційна часу розповсюдження сигналу, та відстані від антени до поверхні контрольованої речовини. Перевагами радарних рівнемірів є великий діапазон вимірювання (до 50 м), мала похибка вимірювання (до ± 0,15%), незалежність вимірювання від параметрів газового середовища. Суттєвим недоліком радарних рівнемірів є висока ціна, яка пов‘язана з використанням складної мікроелектронної апаратури та складного програмного забезпечення, необхідного для фільтрації сигналу з використанням методів спектрального аналізу. У рівнемірах цього типу використовуються сигнали з частотою від 5 до 26 ГГц.

Рис. 4.7. Принцип роботи рівнеміра з лінійним частотно-модульованим

неперервним сигналом

Ультразвуковий метод контролю рівня заснований на визначенні часу проходження ультразвуковим імпульсом відстані між джерелом ультразвукових імпульсів та межею розподілу двох середовищ з різними акустичними опорами [1]. Цей метод простіший в реалізації за інші безконтактні методи вимірювання.

Для контролю рівня рідинних середовищ з великим коефіцієнтом загасання ультразвукових коливань вимірюється час проходження ультразвукового імпульсу в газовому середовищі, а для контролю рівня рідин з невеликим коефіцієнтом загасання ультразвукових коливань – час проходження ультразвукового імпульсу в контрольованій рідині. Рівнеміри, засновані на цьому методі, мають достатньо високу точність вимірювання (від ± 0,25%) та діапазон вимірювання до 10¸30 м (деякі – до 120 м).