Измерване нивото на течности

Нивото е сред най-често следените показатели в индустриалното производство. С оглед на разнообразието от приложения и необходимостта от измерване нивото на различни видове материали в течно или насипно състояние, са разработени немалко технологии, които претърпяват непрекъснато развитие. В производството на съвременните уреди за измерване на ниво се използват материали и сплави, устойчиви на агресивни среди, високи температури и налягания. Някои от уредите, използвани за измерване нивото на течност, са подходящи за определяне и на гранични повърхности между две течности като олио и вода например или между течности и твърди вещества. Сред по-широко използваните видове нивомери са поплавкови, капацитивни, хидростатични, ултразвукови, радарни.

Поплавкови нивомери

Една от най-елементарните конструкции на нивомер за измерване ниво на течности е поплавковият нивомер. За определяне нивото на течността се използва  частично потопен в нея поплавък. При изменение на нивото на течността поплавъкът се придвижва вертикално, като нивото се определя в зависимост от неговото положение. Конкретната стойност се определя спрямо положението на указател, който е свързан с поплавъка посредством гъвкава или твърда механична връзка. Добре е да се има предвид, че не се препоръчва използването на гъвкава връзка, в случаите в които се предвижда измерване на нивото в резервоари под налягане.

Капацитивни нивомери

Капацитивните сензори и системи за измерване на ниво позволяват непрекъснато измерване на текущото ниво на течността, а така също и следене на предварително зададено от потребителя ниво на течността. Подходящи са за измерване на ниво на различни течности като вода, нефт, бензин, основни, киселини и т. н. Сравнително широкото им използване в практиката се дължи на лесното обслужване, липсата на подвижни елементи, поради което се считат за много надеждни и с дълъг експлоатационен срок, удобния монтаж на първичния преобразувател, възможността те да бъдат използвани в широк температурен интервал и налягания до 6 МРа.

Обикновено конструкцията на кондензаторните преобразуватели е различна в зависимост от това дали течността е електропроводима или не. Разликата основно е в изолирането на единия от електродите на нивомера при използването му за определяне нивото на електропроводими течности. Съответно, при неелектропроводими течности електродите на преобразователите не са изолирани. Самите електроди могат да бъдат с цилиндрична форма или във вид на плоски пластини. Като втори електрод може да се използва и стената на съда, в случай че той е метален.

Неблагоприятно влияние върху работата на капацитивните нивомери оказва активното съпротивление на преобразувателя, поради което в схемата на нивомера, обикновено се включва фазов детектор.

Капацитивните нивомери не се считат за подходящи за измерване нивото на вискозни, летливи, токсични, утаяващи се и кристализиращи течности. Като техни недостатъци се посочват и високата чувствителност по отношение на изменение на електрическите свойства на течността и изменението на капацитета на кабела, който свързва първичния преобразувател с измервателния уред и необходимостта от потапяне в течността.

Хидростатични нивомери

Измерването на нивото на течността при хидростатичните нивомери е на базата на измерване на хидростатичното налягане. За измерване на нивото се използват диференциални манометри, които измерват разликата на налягане или пневматични нивомери. От групата на пневматичните нивомери често използвани са барботажните, при които се използва въздух, който барботира през слоя течност. Тази технология се използва в съдове, които работят в условия на атмосферно налягане. Въздухът се подава през потопена в течността тръба, краят на която е близо до дъното на резервоара. Освен въздух, при необходимост може да се използва и инертен газ.

Ултразвукови нивомери

Ултразвуковият метод се основава на генериране на високочестотни ултразвукови импулси, разпространяващи се към дъното на резервоара. Нивото на запълване на резервоара е функция на периода, за който един ултразвуков импулс изминава разстоянието до повърхността на течността, отразява се от нея и се връща обратно в приемника. Резултатът е на базата на изчисляване на времето от излъчването до връщането на звуковите импулси.

Ултразвуковите методи осигуряват контактно и безконтактно измерване независимо от промените в плътността и диелектричните свойства на течността. Ултразвуковите сензори могат да работят с чисти, лепкави и агресивни флуиди при наличие на твърди частици, както и с някои суспензии и аерирани течности. Ултразвуковите уреди са подходящи да се използват при агресивни и абразивни вещества. Намират приложение и когато електрическите параметри на веществото се променят, а също така и за измерване нивото в резервоари с взривоопасни вещества.

Работната честота на ултразвуковите сензори е около 40 kHz. Диапазонът на измерване обикновено е до 20 m, а препоръчителната температура на околната среда е от 0 до 30 ^оС.

Радарни нивомери

Принципът на действие на радарните нивомери се основава на измерване времето на разпространение на излъчен микровълнов сигнал от антената на уреда до повърхността на обекта и обратно. Използват се два основни метода на измерване – импулсен и честотно модулирана непрекъсната вълна. При импулсния метод се излъчва кратък микровълнов импулс от антената на радарния нивомер към измерваната среда. При достигане до нея той се отразява и се приема от антена. Времето на закъснение на приетия сигнал спрямо излъчения е пропорционално на измерваното ниво. При втория метод честотно модулирана непрекъсната вълна антената излъчва микровълнов сигнал, честотата на който се променя непрекъснато по линеен закон между две стойности. След като се отрази от измерваната среда, сигналът се приема от антената и подлежи на обработка. Неговата честота се сравнява с честотата на сигнала, излъчен в определения момент от време. Разликата между честотите на излъчения и приетия сигнал е пропорционална на разстоянието до измерваната среда.

Радарните нивомери се разделят на две основни групи - контактни и безконтактни. При контактните или вълноводните нивомери се използва антена с дължина, не по-малка от обхвата на измерване. Някои конструкции вълноводни нивомери позволяват измерване нивото на няколко повърхности. За отчитане на граничната повърхност между две фази течност при достигане на излъчения сигнал до най-горната повърхност се отразява ехо сигнал. Друга част от сигнала продължава да се разпространява по вълновода. След като достигне втората течност, която е с по-висока диелектрична проницаемост от тази над нея, се отразява втори ехо сигнал. Отчитат се времената, за които сигналът достига до двете повърхности. Периодите са пропорционални на разстоянието до излъчвателя.

Безконтактните радарни нивомери се състоят от електронен блок и антена, която е с различна форма в зависимост от приложението. Основно се използват пет типа антени – рупорната, прътовата, параболична, планарна, тръбна. Радарните безконтактни нивомери обикновено работят с честота от 5,8 до 26 GHz, но се срещат и такива със значително по-висока работна честота.

Динамометричен измервателен метод

Съществуват различни конструктивни разновидности на динамометричните нивомери, включително работещи на основа на напрежения на опън, натиск, огъване и срязване. Като чувствителни елементи в конструкцията на съвременните динамометрични нивомери се използват основно тънкослойни и полупроводникови тензометрични датчици. Въпреки че предлагат големи възможности за избор, тънкослойните датчици най-често работят на опън, натиск и срязване. Специфика на полупроводниковите тензометрични датчици са малките им размери и високото ниво на изходния сигнал. Динамометричните датчици са подходящи за безконтактно измерване нивото на течности и кашообразни вещества, което обяснява широкото им използване за лабораторни и промишлени измервания. Когато се използват за процесни измервания в производствени условия, динамометричните датчици изискват повишено внимание при инсталацията, работата и поддръжката им с цел поддържане на необходимите експлоатационни характеристики. Например, при наличието на различни конструктивни изпълнения, разбъркващи приспособления в съда, използването на динамометричния измервателен метод е свързано с демонтирането им, последвано от необходимия период от време за монтаж и настройка на нивомера.

Магнитни нивомери

Тези нивомери са широко използвани при измерване нивото на течности с ниско и високо налягане и в условия на ниски и високи температури. Използват се за измерване на агресивни, взривоопасни, запалими, замърсени и химически агресивни флуиди. Подобни са на поплавковите нивомери, но тук поплавъкът, в който е поставен силен магнит се движи в колона, намираща се от външната страна на съда и свързана с него посредством фланцови връзки. При движението си поплавъкът придвижва намагнитезиран индикатор, а данните се отчитат по скала, намираща се от външната страна на колоната с поплавъка. Видът на поплавъка се определя от специфичното тегло на течността, температурата и налягането. Индикаторът обикновено е ярко оцветен, така че нивото да може да бъде отчетено безпроблемно и от разстояние.