ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ. КАК НЕ ОШИБИТЬСЯ И ЧТО О НИХ НАДО ЗНАТЬ

 

Каким бы простым ни казался метод гидростатического измерения уровня, тем не менее, существуют некоторые особенности при выборе прибора, при установке и условиях дальнейшей эксплуатации которые необходимо учитывать.

В основе действия гидростатических датчиков уровня лежит закон пропорциональности между высотой столба жидкости и гидростатическим давлением этого столба:
P = ρ*g*h,
где P - гидростатическое давление столба жидкости, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения, ρ - плотность жидкости.

Особенности монтажа, выбора и применения

Существует три основных типа гидростатических уровнемеров - погружные, врезные и фланцевые выделяемые по типу присоединения к процессу. Так же, так как этот фактор обуславливает специальные требования к материалам из которых изготовлен прибор, имеет смысл выделять гидростатические уровнемеры по типу измеряемых сред: неагрессивная к нержавеющей стали, агрессивная к нержавеющей стали пульпообразная, густая и абразивная среды.

При выборе метода измерения уровня, следует учитывать, что корректные измерения гидростатическими датчиками возможны только в средах с постоянной плотностью, так как гидростатическое давление зависит от плотности жидкости и величины уровня. При необходимости решения задачи измерения уровня в средах с меняющейся плотностью, возможна установка двух датчиков уровня. Один прибор устанавливается в емкость для отбора пробы. В емкости обеспечивается постоянный уровень и уровнемер измеряет плотность, а данные со второго (собственно уровнемера) пересчитываются в контроллере с учетом текущей плотности среды, с которого уже скорректированный сигнал поступает в верхний уровень.

Гидростатические датчики уровня - датчики избыточного давления, которым необходима связь сенсора с атмосферой. У датчиков избыточного давления измеряемая среда (Pср) и атмосферное давление(Pатм бак) действуют с одной стороны чувствительного элемента и только атмосферное давление (Pатм) - с другой. Для открытых ёмкостей, Pатм= Pатм бак. Таким образом, атмосферное давление в баке компенсируется атмосферным давлением вне его и датчик измеряет только давление среды.

Для измерения уровня в полностью закрытых емкостях, где создаётся избыточное давление (Р изб.) между крышкой емкости и жидкостью, наиболее оптимальным будет применение гидростатических датчиков дифференциального давления. В этом случае, с помощью специального капилляра необходимо связывать датчик дифференциального давления с областью избыточного давления емкости.

Для подачи атмосферного давления в корпус погружного датчикауровня применяется специальный кабель, который помимо сигнальных линий несет еще и полую трубку, защищенную на обратном конце воздухопроницаемым, но водонепроницаемым фильтром. Корпус погружногодатчика воздухопроницаем и должен быть водонепроницаем (степень пылевлагозащиты IP 68).

Длина кабеля должна быть больше максимального уровня жидкости в емкости. Так как в гидростатических датчиках уровня используется специальный кабель, то цена кабеля в цене датчика может быть очень существенна. При некоторых условиях можно уменьшить конечную стоимость прибора уменьшив длину кабеля. Для этого надо знать минимальный и максимальный уровень жидкости в емкости. Как только специальный кабель выведен в атмосферу, сигнал можно передавать далее и обычным кабелем. Технически, переход со специального кабеля в обычный реализуется с помощью клеммной коробки. В случае, когда в емкости всегда есть какой-то минимальный уровень, ниже которого измеряемая среда не опускается, прибор можно установить на фиксированной высоте и уровень учитывать как показания уровнемера плюс высота столба жидкости под ним.

При монтаже гидростатических уровнемеров, чтобы избежать влияния повышенного давления при закачивании жидкости, так как струя насоса может создавать область повышенного давления, датчики надо устанавливать на максимальном удалении от источника турбулентности. С помощью гидростатического датчика уровня жидкости можно измерять объём. Для цилиндрических и параллелепипедообразных емкостей используют формулу V=S*h, где V - объём, S - площадь основания, h - высота. Для емкостей в форме усеченного конуса V=π(h₂3-h₁3)/3tg2a. Для ёмкостей сложных конфигураций емкость необходимо "разделить" на части и рассчитывать по формулам для параллепипеда, цилиндра и конуса. Для горизонтально расположенных цилиндрических емкостей рекомендуется использовать BD Sensors RUS DMD 331-A-S, который позволяет калибровать выходной сигнал по табличным значениям, то есть достаточно точно учитывать кривизну емкости.

Измерение уровня в различных средах

Для измерения гидростатическими датчиками уровня сред, не агрессивных к нержавеющей стали, наиболее оптимальны по соотношению цена/решение задачи - уровнемеры с корпусом из нержавеющей стали, керамическим тензорезистивным сенсором с открытой или защищенной мембраной из нержавеющей стали. Открытая мембрана из нержавеющей стали подходит для случаев измерения загрязненной среды, но без включений, могущих повредить мембрану.

Мембрана, закрытая защитным колпачком в таких средах быстро забивается отложениями и прибор начинает выдавать некорректные значения, поэтому, при выборе датчика с защищенной мембраной надо понимать уровень загрязнения среды, то есть частоту, с которой придется очищать мембрану. Это в свою очередь так же нежелательно, так как повышает риск повреждения мембраны при механической очистке. Другими словами, защищенную мембрану имеет  смысл использовать для работы в средах с включениями крупнее технологических отверстий в колпачке предназначенных для доступа среды к мембране сенсора. Для сред с включениями могущими повредить мембрану, или сильно загрязненными, лучше использовать приборы с керамической мембраной.

Измерение уровня в агрессивных средах обуславливает исполнение мембраны, корпуса и уплотнения из специальных материалов некорродирующих или слабо корродирующих в измеряемой среде. Сегодня у BD Sensors RUS существуют решения для большинства использующихся в промышленности кислот, щелочей, растворов солей (например, раствора гипохлорита натрия), морской воды. Например,погружной датчик уровня жидкости BD Sensors RUS LMK 858 с керамической мембраной, корпусом из PVDF, уплотнением из EPDM и кабелем с тефлоновым покрытием гарантированно "держит" серную кислоту концентрацией от 5 до 98% и температурой до 50°С.

Для погружных уровнемеров так же учитывают и материал, из которого изготовлен кабель. В уровнемерах БДСенсорс РУС используются четыре типа кабеля: PVC - для воды и жидкостей на водной основе, PUR - для масел и маслообразных жидкостей, FEP - высокоагрессивных жидкостей (сильно концентрированных кислот и щелочей) и TPE для высокотемпературных сред до 125°С. При подборе уровнемера следует учитывать также и рабочую температуру измеряемой среды, так как высокие температуры могут выступать катализаторами или ускорять коррозию материалов, из которых изготовлен прибор. В каждом частном случае, под каждую агрессивную среду прибор подбирают по таблицам химической устойчивости веществ.

Сложность измерения уровня в пульпообразных, густых и абразивных средах обусловлена тем, что они требуют использовать мембрану незащищенную колпачком. В целом, оптимальным решением для таких сред являются приборы с керамическими мембранами, которые более устойчивы к абразивным средам и могут использоваться без защитных колпачков. Однако следует учитывать, что в общем случае, приборы с керамической мембраной предполагают большую погрешность по сравнению с металлической, а также не рекомендованы для использования в системах, где возможны гидроудары.

 

Регистрация уровня воды гидростатическим методом

 

Данные о изменении уровня воды нужны для гидрологических, гидрогеологических и других исследований. Для регистрации уровня воды широко используются два основных метода: метод, основанный на измерении положения плавающих на поверхности тел, и метод, основанный на измерении гидростатического давления, зависящего от уровня воды над приемником  давления.  Для  измерения  уровня  в  скважинах,  пьезометрах,  водосливах и др. часто используют опускаемые электроды, которые при соприкосновении с водой включают сигнальное устройство. При необходимости проводить непрерывную регистрацию уровня самым надежным и простым является  гидростатический  метод,  не  требующий  специальных  сооружений, механических устройств в приборе и обладающий простотой и низкой стоимостью. На рынке появились различные сенсоры (датчики) давления,рассчитанные на различные диапазоны давления и для различных сред, а также автономные цифровые регистраторы. Таким образом, соединив сенсор с регистратором, получаем готовый прибор. 

Аппаратура и методика регистрации

Для регистрации уровня использован распространенный метод, основанный на измерении гидростатического давления, зависящего от уровня воды над приемником давления. В основе метода лежит зависимость:

где P – абсолютное давление, действующее на приемную часть датчика на расстоянии H от поверхности воды, Po – атмосферное давление на поверхности воды, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Отсюда основное уравнение гидростатического уровнемера имеет вид:

 Основная погрешность гидростатическогоуровнемера зависит от изменения  плотности  воды  вследствие  аэрации,  мутности  и  температуры (плотность воды изменяется на 0,5% при изменении температуры от 0 до 30 °С). 

Другой составляющей погрешности является погрешность, связанная со скоростным напором на незащищенный датчик давления. 

  Для регистрации уровня были использованы дифференциальные датчики MPX-12DP фирмы Freescale и 26PC SMT фирмы HONEYWELL измеряющие  разность  давлений  с  минимальным  порогом  чувствительности 1 см водяного столба. На прямой вход воздействует давление воды и атмосферы, а на инверсионный – только атмосферное давление, поэтому атмосферное давление автоматически вычитается. Датчики состоят из двух частей: герметичного корпуса, снабженного штуцерами, позволяющими подсоединять гибкие трубки, и электронным компонентом, регистрирующем деформацию,  основанном  на  тензоэффекте  кристалла  полупроводника,связанного с мембраной. Датчики выпускаются с термокомпенсацией и с очень малым гистерезисом (0,2 %). Сенсоры формируют выходное напряжение около 40 мВ при нулевом давлении, которое можно компенсировать. При питании датчика автономным источником напряжения из-за увеличения потребляемого тока компенсация не проводилась, а записывалось значение места «0» в период установки датчика, которое при обработке вычиталось.

Регистрация выходного напряжения с датчика производилась на цифровые регистраторы японской фирмы TandD RVR-52 или VR-71c дискретностью 15 мин. Согласования по подключению регистратора и датчика не требуются,  так  как  входное  сопротивление  регистраторов  превышает 100 кОм. Регистраторы RVR-52 и VR-71 отличаются только тем, что VR-71 имеет диапазон от-15 до+15 В, а RVR-52 регистрирует однополярное напряжение  до 5 В.  Точность  отсчета  обеих  регистраторов  составляет 0,001 В. Кроме этого, VR-71 может регистрировать напряжение двух датчиков.  Периодичность  оцифровки  регистраторов  устанавливается  в  зависимости от задач от 1 с до 1 ч. Питание регистраторов автономное, которого  хватает  на  несколько  месяцев.  Объем  записываемой  информации  составляет 8400 значений. Данные с VR-71 переносятся на компьютер через COM-порт в формате txt, а затем переводятся в формат EXEL. Дата и время зарегистрированных значений при сбросе записанных данных «привязывается» ко времени, установленном на компьютере. На рис. 1 показаны датчики давления MPX-12DP и регистратор VR-71. Датчик MPX-12DP питается напряжением 5 В и потребляет ток около7 мА. Для питания достаточно использовать аккумулятор емкостью 10 А·ч.

Для  соединения  датчика  с  аккумулятором  и  регистратором  используется 4-жильный телефонный кабель. Для компенсации атмосферного давления инверсионный вход датчика при помощи силиконовой капиллярной трубки выводится  вместе  с  кабелем  на  поверхность.  Для  герметизации  выводов датчика можно использовать обычный пластилин. 

Градуировка датчиков производилась погружением датчика в воду на известную глубину. На рис. 2 приведен градуировочный график для датчика.

Датчик был установлен с июля по декабрь 2011 г. на водомерном посту  в  нижнем  бьефе  Иркутской  ГЭС,  в  месте  со  штатным  уровнемером «Валдай». Один раз в течение 2–3 недель проверялась работоспособность и градуировка прибора, списывались результаты на компьютер. Обработка данных состояла в переводе значений, зарегистрированных цифровым  регистратором  из  значений  в  вольтах  градуировки  в  значения высоты уровня воды в метрах.

Анализ результатов наблюдений

За период наблюдений было получено около 13 000 значений уровня с дискретностью 15 мин. На рис. 3 приведен фрагмент регистрации уровня воды 3–5 августа, когда на ГЭС проводились незначительные сбросы воды,поднимающие уровень на 15–20 см. 

Итоговые статистические данные по уровню воды приведены в табл.  

 За весь период наблюдений уровень изменялся от 0,05 до 0,43 м. Однако, колебания уровня в пределах нескольких сантиметров проявляются всегда. Природа этих колебаний не ясна. Измерение уровня производилось в трубе, поэтому исключалась динамическая составляющая давления, обусловленная скоростным напором .Единственное объяснение вариаций - турбулентность потока и нагонные ветровые колебания. 

На рис. 4 приведен спектр вариаций, рассчитанный программой SPSS.

  Из рассмотрения спектральной функции виден сложный характер вариаций начиная с периодов короче 450 мин. Однако в спектре отмечается суточный  период (около 96·15 мин).  Спектральные  составляющие  более короткопериодных вариаций, по-видимому, обусловлены турбулентностью потока (тангенс угла наклона спектральной кривой к оси ординат близок к «закону -5/3 Колмогорова – Обухова»). 

Для проверки наличия суточного хода были сделаны выборки среднечасовых значений по данным и построен суточный ход уровня (рис. 5). Суточный  ход  представляет  волну  с  минимумом,  приходящимся  на  период около 3–4 ч и максимумом – в 15–16 ч. Амплитуда суточного хода составляет 12 см. Объяснить  наличие  суточного  хода  в  нижнем  бьефе  можно  только расходом воды через ГЭС, связанным с суточным потреблением электроэнергии.

Выводы

Испытания гидростатического уровнемера указывают на преимущества гидростатического метода по сравнению с другими методами. Этот метод позволяет измерять уровень в замерзающих водоемах, при этом не требуется  строить  колодцы.  Прибор  можно  спрятать  в  береговом  откосе.На результатах регистрации не сказывается  ветровое волнение, если датчик давления находится на глубине, равной нескольким длинам волн. В то же время прибор можно использовать для регистрации волнения.