Методы измерения уровня жидких продуктов: теория и практика Текст научной статьи по специальности «Физика»

Однако в ходе экспериментального исследования была выявлена неожиданная тенденция по образцам № 1 и № 4 (нежирная свинина). По результатам 10 замеров отмечено, что плотность фарша, приготовленного с использованием вибрационной насадки ( 00=1669,1 Па), ниже, чем фарша, приготовленного без вибрационной насадки ( 00=1799,5 Па), т.е. получен обратный результат по сравнению с образцами фарша из свинины II и III категорий.

Таким образом, результаты проведенного исследования подтверждают перспективность выбранного направления совершенствования оборудования для измельчения мясного сырья, а также необходимость дальнейшего изучения влияния вибрационных воздействий на вязкопластичные системы.

Список литературы

1. Урьев Н. Б., Талейсник М. А. Пищевые дисперсные системы. Физико-химические основы интенсификации технологических процессов. М.: Агропромиздат, 1985. 736 с.

2. Универсальная шнековая мясорубка с насадкой: пат. 2194576 Рос. Федерация. № 2001110020/03; заявл. 12.04.01; опубл. 20.12.02.

U. Matkin, A. Sapunkova

The upgrading of a household electric mincer

The design of an upgraded household electric mincer is suggested. The results of the experimental survey and analysis of the received data are produced.

Key words: vibratory exposure, upgrading, a mincer, an experimental survey.

Получено 28.12.10 г.

УДК 532.57:681.12

М.Н. Ершов, асп., [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Рассмотрены актуальные задачи, требующие измерения уровня жидких продуктов, преимущества, недостатки и ограничения наиболее распространенных методов измерения уровня.

Ключевые слова: измерение уровня, поверхность жидкости, парогазовая смесь, поплавок, бесконтактный датчик, измерительный преобразователь уровня.

Многообразие задач, связанных с необходимостью измерения уровня жидких продуктов, характерно для различных областей науки и техники. Измерение уровня требуется в большинстве производственных процес-

сов, в системах экологического мониторинга и безопасности [1], для учета массы, расхода жидких продуктов при их хранении и транспортировке [2]. Актуальность измерения уровня жидкостей возрастает по мере повышения степени автоматизации производственных процессов, систем контроля и учета.

Каждой группе задач соответствуют определенные требования к методу измерения и оборудованию. Существуют общие требования, которые необходимо выполнять при решении большинства практических задач, и специальные, предъявляемые к отдельным группам применений.

Основными из общих требований являются:

- большой срок службы измерителя уровня (не менее 5-15 лет) при минимальном количестве регламентных работ, связанных с очисткой, поверкой, ремонтом прибора;

- высокая надежность в реальных условиях эксплуатации;

- стабильная работа и плавное снижение точности при увеличении силы воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, плотности жидкости, волнения поверхности, наклона резервуара и т.д.);

- соответствие нормам государственных и отраслевых стандартов по взрывозащите, электромагнитной совместимости, рабочим климатическим условиям (диапазон температур, влажность, давление);

- обеспечение требуемой точности измерения уровня при работе с реальными жидкостями, а не только в лабораторных условиях;

- умеренная для решаемой задачи стоимость;

- стойкость к хищениям и умышленному искажению результатов измерения;

- удобство эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

Существует большое количество специальных требований в каждой

области применения измерителей уровня.

Необходимая точность измерения уровня жидкости определяется в первую очередь решаемой задачей. Принимаются во внимание действующие государственные нормативные документы (стандарты, постановления), требования проектных организаций, характеристики жидкости и её поверхности (наличие загрязнений, пены, пузырьков воздуха), характеристики резервуара и его дополнительного оборудования.

Некоторые методы измерения уровня жидкости, обладающие в лабораторных условиях экстремально высокой точностью, в реальной эксплуатации теряют свои выдающиеся характеристики, а часть из них становится не пригодными для использования. Потенциальная точность измерения уровня, определяемая методом измерения, и точность используемого оборудования, как правило, согласовываются между собой, чтобы исключить излишние финансовые затраты.

В абсолютном большинстве задач под уровнем жидкости подразумевается граница раздела жидкости и парогазовой смеси. В редких случаях

(например, в нефтехимической промышленности) требуется определять границу раздела двух жидкостей.

Существуют более двадцати различных методов измерения уровня жидких продуктов [3]. Часть из них широко применяется в промышленности, другие имеют узкоспециальное применение из-за присущих им недостатков. Наиболее распространенные методы измерения показаны на рисунке.

МЕТОДЫ

волновые неволновые (комбинированные)

_► Ультразвуковой локационный _► Радиолокационный _► Лазерный локационный Оптический * Емкостный Гидростатический * Буйковый _► Поплавковый механический Поплавковый ~^ магнитострикци-онный Поплавковый радиолокационный

Методы измерения уровня жидких продуктов

В волновых методах используются эффекты, связанные с распространением электромагнитных или акустических волн в жидкости, парогазовой смеси либо в конструктивных элементах (волноводах, звуководных трубах), контактирующих со средами.

В неволновых методах используются иные принципы измерения уровня, основанные на изменении емкости конструктивного конденсатора, давления столба жидкости, выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело. Обширную группу составляют механические поплавковые методы, исторически появившиеся одними из первых.

Комбинированные методы сочетают в себе элементы волновых и неволновых. Например, в поплавковом магнитострикционном методе уровень жидкости фиксируется плавающим на поверхности поплавком, а определение положения самого поплавка производится с помощью механических колебаний, возникающих в звукопроводе.

Все методы измерения уровня имеют недостатки и погрешности, ограничивающие сферу их использования. Погрешности могут быть частично компенсированы различными техническими средствами, что, как правило, ведет к усложнению и удорожанию конечного изделия. Невозможность полной компенсации погрешностей вызвана физическими, экономическими и эксплуатационными ограничениями.

51

Возможность применения метода для решения практической задачи определяется его основной и дополнительной погрешностями, диапазоном измерения (интервал между максимальным и минимальным уровнем жидкости, в котором возможно измерение), размерами верхней и нижней зон, в которых измерение невозможно, эксплуатационными ограничениями и стоимостью реализации. Диапазоны измерения, размеры неизмеряемых зон и условная стоимость реализации методов сведены в табл. 1.

Таблица 1

Общие характеристики методов измерения уровня__________

Методы Диапазон, м Верхняя зона, м Нижняя зона, м Стои- мость

Волновые

Ультразвуковой локационный до 5... 15 »02 или1 от 0,3 до 1,5 Л1 2 »0 или от 0,05 до 0,15 Средняя

Радиолокационный до 25.30 от 0,5 до 1,0 »0 или3 от 0,5 до 0,8 Высокая

Лазерный локационный до 15.35 от 0,4 до 0,6 4 »0 или от 0,5 до 0,8 Высокая

Оптический до 2.3 менее 0,1 менее 0,1 Средняя

Неволновые

Емкостный до 25 менее 0,1 менее 0,1 Низкая

Г идростатический до 100 »0 »0 Средняя

Буйковый до 4 от 0,3 до 0,5 »0 Средняя

Поплавковый механический: с сервоприводом; рычажный.

до 20.40 от 0,05 до 0,3 от 0,05 до 0,3 Высокая

до 7 от 0,05 до 0,3 от 0,05 до 0,3 Низкая

Комбинированные

Поплавковый магнитострик-ционный от 65 до 306 от 0,05 до 0,3 от 0,05 до 0,3 Средняя

Поплавковый радиолокационный до 25.30 от 0,5 до 1,0 от 0,05 до 0,1 Высокая

Примечания: 1 - при локации через парогазовую смесь; 2 - при локации через жид- 3 4 кость; - для жидкостей-диэлектриков с малыми потерями; - для оптически прозрачных жидкостей; 5 - если используется жесткая штанга; 6 - если используется гибкая штанга.

В локационных методах появление значительного верхнего неизме-ряемого участка вызвано работой локатора в ближней зоне, возникновением многократных переотражений сигнала от поверхности жидкости и крыши резервуара, перегрузкой приемника, а также установкой опорного отражателя для точного определения скорости звука. Появление нижнего неизмеряемого участка вызвано паразитными отражениями от дна, имеющими большую мощность по сравнению с полезным сигналом.

В остальных методах размеры «мертвых зон» существенно меньше и зависят только от конструктивного исполнения (от высоты и формы поплавков, держателей, фланцев и т. д.). Нахождение уровня в одном из не-

52

измеряемых участков приводит либо к резкому увеличению погрешности измерения, либо к полному отказу прибора.

Диапазон измерения ограничен:

- для волновых локационных методов - посторонними отражателями (стены, лестницы, выступы) и потерями сигнала при отражении и распространении;

- для остальных методов - принципиальной возможностью изготовления компонентов первичного преобразователя (буйка, штанги, рычага) требуемой длины.

Из компонентов основной и дополнительной погрешности можно выделить те, которые присутствуют в большинстве методов (общие), и характерные для одного-двух методов. Общие компоненты сведены в табл. 2.

Таблица 2

Общие компоненты погрешностей____________________

Методы Причина появления

Малое отклонение измерительной оси от вертикали Неточность монтажа по высоте Неточность определения высоты резервуара Изменение геометрических размеров резервуара от температуры Изменения длины штанги, троса, рычага от температуры волнение поверхности жидкости

Основная погрешность Дополнительная погрешность

Волновые:

Ультразвуковой локационный + + Г Г - +

Радиолокационный + + + + - +

Лазерный локационный + + + + - +

Оптический - + + + - +

Неволновые:

Емкостный - + + + + +

Г идростатический - + - - - +

Буйковый - + + + + +

Поплавковый механический: с сервоприводом; рычажный. - + + + + + + + + + +

Комбинированные:

Поплавковый магнитострик-ционный + + + + + +

Поплавковый радиолокационный + + + + - +

Примечания: «+» - в методе составляющая погрешности присутствует; «-» - в методе составляющая погрешности отсутствует или пренебрежимо мала; «Г» - составляющая погрешности присутствует только при локации через парогазовую среду.

Абсолютная погрешность из-за неточности монтажа уровнемера по высоте не превышает долей - единиц миллиметров. Относительная погрешность из-за малого отклонения измерительной оси на угол а определяется формулой

ЪНа » 1 - С0Б(а) .

Погрешность определения высоты резервуара зависит от используемого инструмента. Для измерительных рулеток погрешность составит ±[0,30+0,15(Ь-1)] %, где Ь - измеряемая высота, м (£>1 м).

Относительная погрешность из-за изменения высоты резервуара при изменении температуры на величину А, оценивается формулой [4]

» 3 • а, • А//(1 + 2 • а, • А/),

где а, - коэффициент линейного расширения материала резервуара.

Относительная погрешность из-за изменения геометрических размеров компонентов первичных преобразователей (тросов, штанг, рычагов) при изменении температуры определяется соотношением

Ъки » аМ •А/,

где аМ - коэффициент линейного расширения материала компонента.

Волнение поверхности жидкости с амплитудой волн Ацг приводит к появлению дополнительной абсолютной погрешности АНцг. Значение Акщг зависит от интервала усреднения данных, массы поплавка (для волновых и комбинированных методов), особенностей применяемых алгоритмов обработки, плотности жидкости, и увеличивается с ростом Ацг , как правило, не превышая этой величины (АНщг<Ащг). Исключение составляют ультразвуковой и радиолокационный методы, у которых из-за рассеяния волн погрешность может стать ненормируемой, если Ацг превысит половину длины волны излучения (А^>1В/2). Увеличение Ацг приводит к уменьшению диапазона измерения всех локационных методов.

Ряд воздействий окружающей среды может увеличить погрешность измерения уровня либо сделать измерение невыполнимым. Эксплуатационными ограничениями являются факторы внешней среды, при которых техническая реализация метода невозможна или сильно затруднена. Каждый метод измерения имеет свой набор эксплуатационных ограничений. Факторы окружающей среды, являющиеся ограничениями для большинства методов, сведены в табл. 3.

Более узкий диапазон рабочих температур жидкости и парогазовой смеси для волновых методов, а также для поплавковых методов с радиолокатором и рычажным измерителем, вызван необходимостью установки электронных узлов обработки сигнала внутри резервуара или на его крыше (перенос электронных узлов часто затруднен или невозможен).

Существующая элементная база промышленного исполнения работает в диапазоне температур от -40 до +80 оС, поэтому диапазон рабочих температур всех электронных модулей ограничен этими значениями.

54

Таблица 3

Основные эксплуатационные ограничения______________

Методы Условия эксплуатации и ограничения

Диапазон температур жидкости и парогазовой смеси, оС Осаждение фракций парогазовой смеси (капель масла, воды, кристаллов льда) на компонентах прибора Липкие, вязкие, сильно загрязненные жидкости Наличие пены и сильное волнение поверхности жидкости Подвижные резервуары с возможностью их сильного наклона Движущиеся жидкости

Волновые

Ультразвуковой локационный от -40 до +80 - +1 - +2 З

Радиолокационный от -40 до +80 З +1 З +2 З

Лазерный локационный от -40 до +60 - +1 - +2 З

Оптический от -40 до +60 - - - + -

Неволновые

Емкостный от -40 до +150 З - + + -

Г идростатический от -40 до +100 + - + + З

Буйковый от -60 до +400 + - + З -

Поплавковый механический: с сервоприводом; рычажный.

от -50 до +150 + - З - -

от -40 до +80 + З3 + + +

Комбинированные

Поплавковый магнитост-рикционный от -50 до +150 + - + - -

Поплавковый радиолокационный от -40 до +80 З - + +2 -

Примечания: «+» - использование метода возможно; «-» - использование метода практически невозможно; «З» - использование метода затруднено; 1 - только при локации через газ без использования волноводного тракта; 2 - только при локации с использованием волноводного тракта; 3 - существуют реализации с самоочисткой и с простой очисткой вручную.

Постоянное избыточное давление в резервуаре (до 3...4 МПа), как правило, не является эксплуатационным ограничением ни для одного из приведенных методов. С ростом давления стоимость реализации увеличивается, но примерно в одинаковой степени для всех методов.

Для измерения уровня липких, вязких, сильно загрязненных жидкостей подходят только волновые «бесконтактные» методы, не использующие волноводный тракт (диэлектрические волноводы, звукопроводы и т.д.). Если возможен доступ персонала для периодической очистки механических частей, то в ряде задач целесообразно применение более дешево-

го рычажного поплавкового метода, для которого существуют реализации с самоочисткой и с простой очисткой вручную. Волновые бесконтактные методы незаменимы, если в процессе эксплуатации возможно застывание или замерзание жидкости (например, мазута или нефти), так как для любых механических конструкций в таких условиях существует риск поломки или полного разрушения.

Осаждение фракций парогазовой смеси на элементах конструкции (антеннах, звуководных трубах, образцовых отражателях) является серьезным ограничением при реализации всех волновых методов. Наличие конденсата резко увеличивает затухание волн, искажает диаграмму направленности антенн и может привести к появлению ложных отражателей (например, снежной шубы), делая измерение уровня жидкости невозможным. Для емкостного метода измерения конденсат может вызвать образование пленок на электродах или проводящих дорожек между ними, приводя к увеличению погрешности измерения.

Наличие сильного волнения или пены на поверхности жидкости резко уменьшает коэффициент отражения акустического и электромагнитного излучения, делая более пригодными для данного круга задач неволновые и комбинированные методы. При увеличении амплитуды волн или толщины слоя пены погрешность измерения в любом случае увеличивается, однако измерение уровня волновыми методами будет неустойчивым из-за малой амплитуды отраженного сигнала.

Измерение уровня движущейся жидкости, например, в открытом лотке или канале, является сложной задачей, особенно, если жидкость загрязнена. Волновые методы малопригодны из-за наличия на поверхности жидкости волн и пены, а большинство неволновых и комбинированных совершенно непригодны из-за сильных боковых нагрузок на конструкцию и опасности ее поломки при накоплении мусора (веток, листьев, клочков бумаги и др.). Удовлетворительный результат может быть получен при использовании рычажного измерителя с функцией самоочистки.

Большинство поплавковых методов не пригодны для измерения уровня в подвижных резервуарах (топливные баки, цистерны судов), которые могут быть сильно (более чем на 10-15о) наклонены к горизонту, из-за опасности блокировки подвижных элементов. Волновые методы в этих условиях используются лишь в сочетании с волноводным трактом, так как при его отсутствии отраженный сигнал может не попасть на приемную антенну. Волноводный тракт выполняет также функцию успокоительной трубы, уменьшая влияние волн жидкости на точность измерения. Рычажный измеритель уровня может успешно работать в подвижных резервуарах, так как опасность заклинивания подвижных элементов отсутствует.

В зависимости от задачи методы измерения уровня могут быть реализованы по-разному. Однако в измерительной технике существуют наиболее распространенные (типичные) способы реализации, пригодные для решения абсолютного большинства задач.

Несмотря на прогресс, достигнутый в последние годы в реализации волновых «бесконтактных» методов, они не являются панацеей от всех проблем, возникающих при измерении уровня жидкости из-за ряда недостатков. Существующие оптические контактные методы измерения практически не пригодны для долговременной эксплуатации и могут применяться лишь в качестве образцовых (поверочных).

Поплавковые методы измерения уровня имеют большой потенциал совершенствования и остаются одними из самых востребованных в современной технике. Основные преимущества поплавковых методов при их реализации - малое количество эксплуатационных ограничений, близкое к оптимальному соотношение «цена - качество» полученного оборудования и его высокие технические характеристики.

Список литературы

1. Ташматов Х.К., Азимов Р.К. Поплавковые расходомеры для открытых каналов оросительных систем // Датчики и системы. 2008. № 5. С. 31-32.

2. Колесников Н.В. Кудряшов М.И. Сивой. В.И. Контроль уровня жидкости на судах. Л.: Судостроение, 1969. 194 с.

3. Бобровников Г.Н. Катков А.Г. Методы измерения уровня. М.: Машиностроение, 1977, 167 с.

4. Хансуваров К.И. Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: учеб. пособие. М.: Изд-во стандартов, 1990. 287 с.

M. Ershov

А few methods to measure fluid level: theoretical and practical features

Relevant tasks of fluid level measurement are considered. The advantages, insufficiencies and limitations of most common ways of fluid level measurement are described.

Key words: level measurement, fluid surface, headspace vapour, float, noncontact sensor, level transmitter.

Получено 28.12.10 г.