Проектирование информационно-измерительных систем

ВВЕДЕНИЕ
Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Путем измерения уровня можно получить информацию о массе жидкости в резервуарах. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют уровнемерами.
Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды, измерений массы жидкости в технологическом аппарате, сигнализации предельных значений уровня рабочей среды – сигнализаторы уровня.
По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона обычно используются в системах автоматического регулирования.
В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и радиационные. 
Принцип действия поплавковых приборов основан на использовании выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело.
Поплавковые уровнемеры узкого диапазона обычно представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80 – 200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с преобразователем угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров -10 – 0 – 10 мм, максимальный -200 – 0 – 200 мм. Класс точности 1,5.
Поплавковые уровнемеры широкого диапазона представляют собой поплавок, связанный с противовесом гибким тросом. минимальный диапазон измерений (0 – 12) м, максимальный (0 – 200 м. Абсолютная погрешность 4 и 10 мм.
В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила – давление» и «сила – ток». В соответствии с видом используемого преобразователя силы различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.
Минимальный верхний предел измерений пневматических и электрических уровнемеров с унифицированным сигналом составляет 0,02 м, максимальный 16 м.
Верхние пределы измерений уровнемера с унифицированным электрическим сигналом ограничены значениями (0,02 – 16).
Буйковые средства измерения применяются при температуре рабочей среды от минус 40 до плюс 400 оС и давлении рабочей среды до 16 МПа. Классы точности буйковых уровнемеров 1,0 и 1,5.
Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности ρ, согласно равенству
Р = ρgh.
Измерение гидростатического давления осуществляется:
    -    манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня;
    -    дифманометром, подключаемым к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью;
    -    измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние.
Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра складываются из гидростатического и избыточного давлений.
Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры.
Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем измерения давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Пьезометрические уровнемеры позволяют измерять уровень в широких пределах от нескольких десятков сантиметров до (10 – 15) м.
По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические.
В емкостных уровнемерах используется зависимость электрической емкости от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. Преобразование электрической емкости чувствительных элементов в сигнал измерительной информации осуществляется мостовым, резонансным или импульсным методом.
Емкостные уровнемеры имеют классы точности 0,5; 1,0; 2,5. Их минимальный диапазон измерений составляет (0 – 0,4) м, максимальный (0 – 20) м; давление рабочей среды (2,5 – 10) МПа; температура от (–60 до 100) оС или от (100 до 250) оС.
В настоящее время предложены различные принципы построения ультразвуковых уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации.
В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа (воздуха), либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала). Уровнемеры, в которых локация границы раздела двух сред осуществляется через газ, называют акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред через слой рабочей среды – ультразвуковыми.
Преимуществом акустических уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня неоднородных и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.
Диапазоны измерений уровня (0 – 1); (0 – 2); (0 – 3) м. Класс точности 2,5. Температура контролируемой среды (10 – 50) оС, давление в технологическом аппарате до 4 МПа.
Акустические уровнемеры сыпучих сред по принципу действия и устройству аналогичны акустическим уровнемерам жидких сред. Классы точности 1,0; 1,5. Минимальный диапазон измерений (0 – 2,5) м, максимальный (0 – 30) м. Контролируемая среда – гранулы диаметром (2 – 200) мм.
Как и акустические радарные уровнемеры используют принцип локации границы раздела двух сред, но реализуют его с помощью СВЧ-сигналов. В радарных системах контроля уровня применяются две технологии: с непрерывным частотно-модулированным излучение и импульсным излучением сигнала. 
В первом случае уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изменяется непрерывно по линейному закону между двумя значениям частот. Отраженный от поверхности контролируемой среды сигнал принимается той же антенной и обрабатывается. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени, и разность частот прямо пропорциональна расстоянию до поверхности.
В радарных уровнемерах импульсного типа используется метод определения расстояния, основанный на непосредственном измерении времени прохождения СВЧ-импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно. 
Радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ. Во-первых эхо-сигналы разнесены во времени, что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых среднее энергопотребление импульсных уровнемеров на 1-2 порядка ниже. И в-третьих, электронная часть для обработки сигналов намного проще, и надежность прибора получается потенциально выше.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
    1.    ГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
    2.    Информационно-измерительная техника и электроника: Учебник для вузов / Под ред. Г.Г. Раннева. -М.: Академия,, 2006.-511 с.
    3.    Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для студентов вузов. -М.: Академия, 2004.-311 с.
Эксплуатационный документы на средства измерений.