В пищевой промышленности во многих технологических процессах необходимо измерять уровень жидких или сыпучих материалов, сигнализировать о достижении ими максимального или минимального значения, чтобы не допустить переливов или недосыпов, или недопустимо низкого уровня. Широко используются средства измерений уровня в пивоваренном, спиртовом, винодельческом производстве, производстве соков, молочной промышленности, на элеваторах и мельницах.
Приборы для измерения уровня делят на две группы:
— уровнемеры, дающие непрерывную информацию о положении уровня в емкости в любой момент времени;
— сигнализаторы, дающие сигнал о достижении уровнем фиксированного значения (верхний, нижний, средний и т.п., в зависимости от того, где установлены чувствительные элементы).
В промышленности используются уровнемеры, основанные на самых разных физических принципах. Рассмотрим основные.
МЕХАНИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ
Достоинство этих уровнемеров: простота, надежность и невысокая стоимость.
Виды механических уровнемеров:
- поплавковые,
- мембранные,
- контактно-механические
- вибрационные.
Поплавковые.Принцип действия: движение поплавка, плавающего на поверхности жидкости передается измерительной части прибора. Эти приборы широко используются в качестве сигнализаторов предельных уровней неагрессивных, слабо кристаллизующихся, неналипающих жидкостей.
Мембранные уровнемepы. Используются для измерения уровня сыпучих, неслеживающихся веществ, например, зерна. Сигнализатор уровня крепится в cтeнкe бункера. Зерно давит на гибкую мембрану, что приводит к переключению электрических кoнтактов микропереключателя. Используются эти уровнемepы и в хлебопекарной промышленности для контроля за опарой, тестом. Только должен быть обеспечен уxoд — очистка мембран.
Koнтактно-механические уровнемepы. Использовались для измерения уровня сыпучего материала в широком диапазоне. С помощью электромеханической лебедки на поверхность материала опускается специальный щуп. Когда щуп опустится на поверхность сыпучего материала, натяжение троса ослабнет, электролебедка остановится. В этот момент отсчитываются показания на отсчетном устройстве (по длине троса). Затем лебедка включается и щип поднимается.
Вибрационные уровнемepы. Обычно вибрационные датчики имеют форму камертона, который в воздухе колеблется на собственной резонансной частоте. Когда пластины камертона покрываются продуктом, в варианте датчика для жидкостей изменяется частота колебаний, а в варианте датчика для сыпучих материалов – амплитуда. Параметры колебаний воспринимаются приемником и подаются на усилитель.
В вибрационных датчиках отсутствуют подвижные детали, и они не требуют технического обслуживания. В пищевой промышленности вибрационные переключатели заменяют на поплавковые уровнемеры (для жидкостей) и рычажковые переключатели (для сыпучих материалов).
Основные достоинства:
1. Погружаемые в анализируемую среду детали вибрационных датчиков изготовлены из хорошо отполированного металла и соответствуют гигиеническим стандартам;
2. вибрационные датчики могут использоваться при температурах до 150ºС и давлениях до 40 бар или 16 бар;
3. действие переключателей не зависит от электрических характеристик продукта, плотности пены, турбулентности и посторонних вибраций. Датчики могут использоваться в высоковязких продуктах;
4. не требуют калибровки. Арматура позволяет без труда провести регулировку точки срабатывания.
Основные недостатки:
— плотность среды должна быть больше 30 г/л (для жидкостей) и 0,5 г/см3 (для сыпучих веществ);
— при размере частиц больше 10 мм эти датчики применять нельзя.
3.2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ
Эти уровнемepы основаны на измерении давления столба жидкости или выталкивающей силы, действующей на тело, погруженное в жидкость.
В пищевой промышленности используются буйковые, пьезометрические (барботажные), гидростатические уровнемеры-манометры и дифманометры.
Буйковые уровнемepы основаны на измерении выталкивающей силы, действующей на буек, погруженный в жидкость и удерживаемый в ней с помощью пружины или торсионной трубки. Уравновешивающая сила – усилие обратной связи развивается силовым механизмом обратной связи — электрическим или пневматическим. Выпускается большая номенклатура буйковых уровнемеров, сигнализаторов и регуляторов с механической, пневматической и электрической системой дистанционной передачи. Класс точности приборов 1 и 1,5. Предельно допустимое рабочее избыточное давление 10 МПа.
Пьезометрические уровнeмеpы. Через слой жидкости в резервуаре продувают очищенный воздух. Уровнемер (рис. 1) состоит из опускаемой в резервуар трубки 1, к которой присоединяется манометр 5 для измерения давления Р в трубке, а следовательно, и статического напора жидкости, пропорционального высоте столба жидкости Н над выходным отверстием барботажной трубки.
Р = ρgH
Давление воздуха в трубке измеряют с помощью манометра.
Эти приборы можно использовать для измерения уровня агрессивных, загрязненных и быстрокристаллизующихся жидкостей. Tочность измерений +1,5% при постоянной плотности жидкости.
Гидростатические уровнемеры-манометры и дифманометры основаны на измерении давления, создаваемого столбом жидкости. Это давление определяется с помощью манометров. Гидростатические преобразователи уровня являются наиболее простыми средствами измерения и поэтому наиболее широко используются в пищевой промышленности. Тензодатчик преобразует давление, оказываемое жидкостью на диафрагму в электрический сигнал. В том случае, когда плотность жидкости известна, сигнал обеспечивает непосредственную индикацию уровня.
Основные достоинства:
— выпускается большое количество различных типов чувствительных диафрагм, устанавливаемых с помощью устройств, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам;
— характеризуются высокой надежностью в работе, не требуют технического обслуживания. Могут использоваться в вязких, пастообразных и пенообразных средах;
— обеспечивают стабильные измерения в процессе перемешивания (в турбулентной среде);
— идеальны при измерении уровня продуктов с меняющимися электрическими параметрами;
— применение преобразователя перепада давлений и второго датчика давления и пересчетного устройства позволяет проводить измерения уровня в емкости высокого давления и резервуарах, находящихся под вакуумом;
— значение уровня измеряется с высокой точностью.
Недостатки:
— могут использоваться только для измерения уровня жидкости;
— не пригодны для измерения уровня жидкостей, имеющих температуру выше 100ºС.
3.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ
В электрических уровнемepax используются электрические свойства среды — электропроводность, диэлектрическая проницаемость и др. С помощью первичного измерительного преобразователя изменение уровня преобразуется в электрический сигнал, измеряемый электроизмерительным прибором. Наиболее распространены кондуктометрические и eмкостныe.
Кондуктометрические уровнемеpы.
Принцип действия основан на измерении электрического сопротивления жидкости или сыпучего материала с помощью электродов (рис.2). Роль одного из электродов может выполнять металлическая стенкa емкости, которая заземляется. Второй измерительный электрод должен быть хорошо электрически изолирован от стенки емкости. Чаще всего используются как сигнализаторы уровня. Они обеспечивают сигнализацию уровня с погрешностью -/+ 5 мм, температура среды может достигать 200ºС.
Рис. 2. Принципиальная схема действия кондуктометрического расходомера.
Основные достоинства:
— датчики и арматуру можно без труда изготовить из материалов, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам. Воздействие высоких температур (например, при выполнении процедуры «мойки на месте») не оказывает влияния на работу датчика;
— кондуктометрический метод измерения уровня отличается простотой и низкими затратами на его реализацию, является идеальным при регулировании по двум точкам (например, при управлении насосом).
Недостатки:
— этот метод может использоваться для сигнализации уровня только токопроводящих жидкостей и реализуется только в предельных выключателях. Если датчик загрязняется непроводящим ток веществом, например, жиром или маслом, то цепь, по которой течет ток разрывается, и система перестает действовать;
— при измерении уровня продуктов, которые могут оседать на поверхности датчика, образуя, таким образом пленку, необходимо пользоваться модификацией уровнемера с низким сопротивлением;
— модифицированный уровнемер может «отличить» продукт от пленки продукта образовавшейся на датчике;
— обычно уровнемер используется в качестве сигнализаторов уровня пенящихся продуктов (молока, пива, карбонизированных напитков) и, чаще всего в тех случаях, когда датчики монтируются на боковых стенках резервуаров.
Eмкостныe уровнемepы.
Если в металлический резервуар ввести изолированный стержень (или трос), то стенки резервуара и стержень образуют конденсатор. Диэлектрическая постоянная газа или воздуха, содержащегося в пустом резервуаре приблизительно равна 1. При заполнении резервуара происходит вытеснение газа и его место занимает продукт, диэлектрическая постоянная которого больше 1. Таким образом, величина электрическом емкости между датчиком и стенками резервуара увеличится и, благодаря этому эффекту, можно осуществлять непрерывное измерение уровня или обеспечивать коммутацию средств регулирования. Для неэлектропроводящих материалов применяются голые электроды в виде стержней, коаксильных цилиндров, пластин. Для электропроводящих материалов электроды покрывают изоляцией, чаще всего фторопластом. Электроды включаются в мостовую cxeму или колебательный контур генератора высокой частоты. При изменении уровня среды изменяется eмкость преобразователя. Обычно датчики этого типа применяются в тех случаях, когда диэлектрическая постоянная продукта > 2.
Eмкостныe сигнализаторы проще eмкостных уровнемеров и представля¬ют собой eмкостныe реле, срабатывающие при подходе уровня среды к электроду (рис.3).
Выпускается большая номенклатура eмкостных уровнемеров и сигнализаторов уровня для самых разных условий эксплуатации и пределов изме¬рений. Распространены уровнемеpы в пределах от 1 до 20 м, класс точности 2,5 и от 0,4 до 20 м, класс точности 0,5-2,5 с унифицированным выходным сигналом 0-5, 0-20, 4-20 мА.
Рис. 3. Принцип действия емкостного сигнализатора уровня.
Основные достоинства:
— емкостные уровнемеры широко используются в пищевой промышленности в качестве средства непрерывного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов или для коммутации средств регулирования;
— поскольку пищевой продукт контактирует только с металлическим стержнем или тросом, то проблемы санитарно-гигиенических норм легко решаются.
Недостатки:
— измерение уровня продуктов с изменяющейся диэлектрической постоянной будет происходить с ошибками;
— в случае очень вязких продуктов может возникать эффект «обволакивания» датчика и, как следствие, возрасти погрешность измерения;
— при проведении измерений в негомогенных и пенящихся средах погрешность измерения может существенно возрасти;
— процедуру калибровки необходимо проводить «на месте».
Приемлемая емкостная измерительная система должна иметь достаточную чувствительность для «обнаружения» продукта и формирования соответствующего коммутационного или аналогового сигнала и одновременно «не реагировать» на эффект «обволакивания» датчика. Этого можно достигнуть путем правильного выбора монтажных приспособлений датчика, площади активной области датчика и расстояния от датчика до стенки резервуара или других заземленных конструкций. Обычно в системах непрерывного измерения соблюдается следующая зависимость: чем выше рабочая частота, тем ниже сопротивление продукта и выше значение тока генератора. При частотах порядка 1 мГц величина тока, протекающего через продукт, намного превышает ток утечки, обусловленный эффектом «обволакивания» (рис. 3).
3.4. АКУСТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ
Принцип действия акустических (ультразвуковых) уровнемеров основан на отражении колебаний от границы раздела сред с различным акустическим сопротивлением. Обычно используется метод импульсной локации границы раздела газ-жидкость (или сыпучий материал) со стороны газа. Уровень измеряется по времени распространения ультразвуковых колебаний от источника излучений до плоскости (границы) раздела и обратно. (Достоинство ультразвуковых уровнемеров в нечувствительности к изменению свойств измеряемой среды, большой температурный диапазон, высокая надежность и точность измерений). Ультразвуковые средства измерения уровня являются наиболее широко распространенными в пищевой промышленности бесконтактными устройствами, использующимися для определения уровня жидкостей и сыпучих материалов. Ультразвуковой преобразователь устанавливается в верхней части танка или силоса и генерирует ультразвуковые колебания в направлении продукта На этот же преобразователь поступает отраженный от поверхности продукта сигнал (эхо-сигнал). Временной интервал между генерируемым и отраженным сигналами – прямо пропорционален расстоянию от преобразователя до поверхности продукта D. Преобразователь, заранее запрограммированный на расстояние до нулевой отметки Е и измерительный диапазон F, может легко рассчитать уровень заполнения силоса L (рис. 4).
Рис. 4. Принцип действия ультразвукового уровнемера.
Основные достоинства:
— точность измерения не зависит от физических свойств анализируемого продукта (электропроводности, диэлектрической постоянной, вязкости, плотности и т.п.);
— бесконтактные средства измерения обычно не подвержены эррозии и не могут «засоряться», «обволакиваться»;
— в последнее время созданы датчики, предназначенные для применения в высоких, узких, запыленных силосах;
— для анализа эхо-сигнала все шире используются микропроцессорные системы и элементы нечеткой логики, вследствие чего ультразвуковые уровнемеры применяются в качестве легко устанавливаемых приборов, имеющих низкую стоимость.
Недостатки:
— нельзя применять в условиях вакуума;
— при высоких давлениях происходит ограничение механического хода мембраны. При абсолютном давлении выше 3 бар следует пользоваться СИ другого типа;
— нельзя применять при температурах выше 100 ºС;
— ультразвуковые колебания плохо распространяются в атмосфере углекислого газа. В емкостях для брожения уровнемеры этого типа не рекомендуется использовать;
— наличие пены на поверхности жидкости приводит с снижению уровня отраженного сигнала.
На рис. 5 приведена рекомендуемая схема установки датчика во избежание погрешностей измерения.
Рис. 5. Схема установки ультразвукового уровнемера.
3.5. Волновые уровнемеры
Используются высокочастотные волновые методы измерений. Уровень среды определяют по интегральным характеристикам электромагнитных систем с распределенными параметрами.
Радиолокационные (микроволновые) уровнемеры основаны на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела двух сред с различными скоростями их распространения в этих средах. Эти уровнемеры применяются там, где диапазон измерения уровня велик, десятки и даже сотни метров. В пищевой промышленности широко не используются.
Основные достоинства:
— скорость распространения микроволн не зависит ни от температуры, ни от давления и не изменяется даже в вакууме. Микроволновые уровнемеры способы выдерживать давление до 64 бар и температуры свыше 250 ºС;
— состав газа и наличие турбулентных потоков также не оказывает влияния на скорость распространения радиоволн. Даже в экстремальных условиях легко обеспечивается высокая точность измерений (обычно не более 10 мм на 10 000 мм);
— важным преимуществом, по сравнению с ультразвуковыми уровнемерами, является то, что датчик может располагаться за специальным окном, изготовленным из материала с низкой диэлектрической постоянной. Таким образом, датчик оказывается изолированным от среды, содержащейся в резервуаре, что облегчает соблюдение санитарно-гигиенических норм;
— отраженный сигнал может поступать на датчик непосредственно после формирования измерительного сигнала, «слепая» зона отсутствует.
Недостатки:
— применение микроволновых методов измерения может быть ограничено в случае поверхностей с плохими характеристиками отражения (пены или сыпучих материалов, состоящих из частиц с закругленными углами). Обычно радиоволны отражаются от толстого слоя проводящей пены и поглощаются непроводящей пеной;
— ультразвуковой метод измерения основан на измерении плотности на границе раздела «проводящая среда – анализируемая среда», а микроволновый – на измерении диэлектрической постоянной: чем выше диэлектрическая постоянная среды, уровень которой определяется, тем выше степень отражения.
3.6. РАДИОИЗОТОПНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ
Принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности потока ионизирующего излучения, падающего на приемник (детектор) излучения, от положения уровня измеряемой среды (рис. 6). Следящий радиоизотопный уровнемер основан на поглощении гамма излучения контролируемым материалом.
Слежение за уровнем материала ocуществляется автоматически путем синхронного перемещения источника излучения и приемника излучения, подвешенных на тросах или гибких лентах в трубах, помещенных в емкость. Следящая система состоит из усилителя и электродвигателя с редукторами. Точность слежения составляет + 2-10 мм. Диапазон измерений от 0 до 20 м. Такой уровнемер можно применить для контроля уровня в закрытой емкости, в условиях повышенного давления (например, емкости для хранения виноматериалов).
Рис. 6 Структурная схема радиоизотопного сигнализатора уровня
Сигнализатор состоит из источника излучения 1, детектора 3, усилителя 4 и сигнализирующего устройства 5.Интенсивность ионизирующего излучения от источника 1 к детектору 3 при прохождении через слой материала в емкости 2 уменьшается вследствие поглощения его материалом. В результате на детекторе 3 возникает сигнал, который усиливается усилителем 4 и подается в измерительное устройство 5.