Магнитные указатели уровня и магнитострикционные уровнемеры

Что такое магнитный указатель уровня?

Магнитный указатель уровня состоит из камеры, которая устанавливается параллельно аппарату через верхнее и нижнее присоединения, магнитного поплавка, поднимающегося и опускающегося вместе с жидкостью внутри камеры, и магнитного индикатора снаружи камеры. По принципу сообщающихся сосудов уровень в камере совпадает с уровнем в аппарате. Магниты поплавка создают поле, которое проходит сквозь немагнитную стенку камеры и поворачивает цветные флажки или перемещает челнок снаружи, поэтому оператор видит уровень издалека как четкую смену цвета.

В отличие от классических указателей, где жидкость видна непосредственно за стеклом, такая конструкция полностью удерживает среду в закрытой металлической камере. В индикаторе нет стекла под давлением или температурой, потенциальных точек утечки меньше — поэтому решение выбирают для горючих, токсичных, коррозионных, горячих сред и сред под высоким давлением.

Если нужен непрерывный сигнал уровня, на ту же камеру добавляют накладной магнитострикционный уровнемер. Его чувствительная трубка крепится хомутами вдоль камеры и регистрирует магнитное поле того же поплавка, поэтому дополнительная врезка или переделка трубопроводов не требуется. Местная индикация, электронное измерение для системы управления и при необходимости сигнализаторы уровня объединяются на одной камере. Для задач, где требуется измерение с крыши резервуара без камеры, альтернативой могут стать бесконтактные радарные уровнемеры.

Принцип работы: поплавок, магнитная связь и магнитострикционное измерение

Система объединяет механический поплавковый элемент с двумя способами считывания: магнитной связью для визуального индикатора и магнитострикционным измерением времени пролета для электронного сигнала. Цепочку можно описать в пять этапов:

1.      Выравнивание уровня в камере: Камера соединяется с аппаратом через верхнее и нижнее технологические присоединения; как в сообщающихся сосудах, уровень жидкости в камере следует за уровнем в аппарате. Пружина-ограничитель или диск на концах камеры удерживает поплавок в зоне измерения.

2.      Поплавок следует за уровнем: Поплавок рассчитывается под относительную плотность, давление и температуру среды и утяжеляется так, чтобы выталкивающая сила составляла не менее 75 г. Магниты, размещенные с точным шагом, создают магнитное поле с охватом 360° вокруг камеры.

3.      Визуальная индикация через магнитную связь: При подъеме поплавка его магнитное поле поочередно поворачивает двухцветные флажки внутри герметичной трубки или перемещает челночный индикатор. Зона жидкости и зона газа отображаются разными цветами, а шкала рядом с индикатором показывает уровень в единицах длины, объема или в процентах.

4.      Крутильная волна в магнитострикционной проволоке: Электроника накладного уровнемера через равные интервалы подает в специальную проволоку внутри чувствительной трубки импульс тока малой энергии. В точке, где магнитное поле импульса взаимодействует с полем поплавка, в проволоке возникает крутильная деформация (эффект Видемана), которая распространяется вдоль проволоки с известной скоростью.

5.      От времени пролета к уровню: Чувствительный элемент в головке уровнемера преобразует механическое скручивание в электрический ответный импульс. Микропроцессор измеряет время между стартовым и ответным импульсами, вычисляет положение поплавка, а значит, и уровень, и обновляет выход с частотой 10 измерений в секунду.

Общий уровень и граница раздела фаз

Если поплавок утяжелен так, что тонет в верхней жидкости и плавает в нижней, он отслеживает границу раздела между ними; так можно контролировать границу раздела при разнице относительной плотности всего 0,03. Если нужны и общий уровень, и граница раздела, в камере устанавливают два поплавка. Индикатор в этом случае заказывают в двухуровневом исполнении, а уровнемер калибруют под применение с двумя поплавками и при опции отображения двух уровней выводят оба значения.

Что дает процессу накладной монтаж

Чувствительная трубка магнитострикционного уровнемера находится снаружи камеры и крепится хомутами из нержавеющей стали. Единственная подвижная деталь, контактирующая со средой, — поплавок. Поэтому уровнемер, шкалу индикатора и сигнализаторы уровня можно добавлять, настраивать и обслуживать без изменения трубопроводов и без остановки процесса, а электронный модуль заменять или модернизировать на объекте.

Факторы, влияющие на точность уровнемера

Точность уровнемера определяется в заводских условиях с калибровочным магнитом. На объекте фактическая точность системы зависит также от гистерезиса поплавка, монтажа камеры, изменений относительной плотности среды и условий окружающей среды. Поэтому расчет поплавка и выбор уровнемера следует рассматривать совместно.

Индикатор работает без электричества, поэтому уровень читается и при отключении питания, а уровнемер по тому же поплавку непрерывно передает сигнал в систему управления. Оба канала измерения используют один поплавок, поэтому местные показания легко сверить со значением в операторной.

Ключевые особенности

·         Индикатор изолирован от среды: Уровень считывается с герметичного индикатора снаружи закрытой металлической камеры; среда не контактирует со стеклом, индикатор не находится под давлением.

·         Поплавок, рассчитанный под задачу: Каждый поплавок рассчитывается под относительную плотность, давление и температуру среды и обеспечивает выталкивающую силу не менее 75 г и охват магнитного поля 360°.

·         Широкий диапазон давлений и температур: Конструкция камеры охватывает условия процесса от полного вакуума до 345 бар и от –196 °C до 538 °C.

·         Низкая плотность и граница раздела: Возможны исполнения для жидкостей с относительной плотностью от 0,25, для любой вязкости и для границ раздела с разницей относительной плотности от 0,03.

·         Выбор индикатора: Хорошо заметный челночный индикатор или флажковый индикатор в сочетаниях желтый/черный, красный/белый, красный/зеленый или красный/черный; опции двухуровневой индикации и индикации отказа поплавка.

·         Магнитострикционный уровнемер высокого разрешения: Точность ±0,01 % от полной шкалы (FS) или 1,27 мм (большее из значений), повторяемость ±0,005 % или 0,315 мм; заводская калибровка без необходимости перекалибровки.

·         Общий уровень и граница раздела в одном приборе: Уровнемер измеряет общий уровень, уровень границы раздела или оба параметра; таблица линеаризации на 21 точку позволяет пересчитывать уровень в объем.

·         Местный интерфейс с отображением сигнала: Опциональный индикатор показывает форму сигнала, что позволяет проверить работу без осциллографа; настройка выполняется кнопками через стекло без открытия крышки, неисправности выводятся открытым текстом по NE 107.

·         Цифровая связь: Выход 4…20 мА HART (ревизия 7) или FOUNDATION Fieldbus (ITK 6.3.0); направление аварийного сигнала по NE 43 выбирается программно или аппаратно.

·         Исполнения датчика для экстремальных температур: Стандартные зонды применяются от –80 °C до 232,22 °C или 426,66 °C, криогенные зонды с продувкой азотом — от –195,55 °C до 121 °C; доступны удлинитель корпуса с изгибом 90° и выносная электроника на расстоянии до 30 м.

·         Полный набор принадлежностей камеры: Сигнализаторы уровня, удлинители против обмерзания, паровой или электрический обогрев, высокотемпературная и криогенная изоляция, магнитные уловители частиц и дренажные/воздушные клапаны могут монтироваться на камеру на заводе.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные магнитного указателя уровня с байпасной камерой и накладного магнитострикционного уровнемера. Камера, поплавок и присоединения проектируются под конкретный процесс, поэтому окончательные значения давления, температуры и длины измерения для выбранных материалов и конфигурации следует подтверждать на этапе проекта.

У футерованных и пластиковых камер максимальные температура и длина измерения ниже, чем у металлических (например, 5,48 м для камер из PVC, CPVC, PVDF и стеклопластика). Температурный предел уровнемера может быть ниже, чем у камеры указателя; предел системы всегда определяется меньшим значением.

Основные преимущества

·         Безопасное местное считывание: Нет стекла под давлением, среда остается в закрытой камере — для горючих и токсичных сред снижается риск утечек и разрушения.

·         Уровень виден при отключении питания: Индикатору не нужно электропитание, поэтому уровень читается и после потери питания, и до пусконаладки.

·         Расширение без остановки процесса: Уровнемер, шкалу и сигнализаторы можно позже установить, настроить или заменить на камере без изменений в трубопроводах.

·         Один поплавок — два независимых показания: Визуальный индикатор и электронный уровнемер работают от одного поплавка, поэтому местные показания легко сверить со значением в операторной.

·         Минимум обслуживания, без калибровки на объекте: Прочная конструкция, индикатор без калибровки на месте и уровнемер с заводской калибровкой сокращают объем обслуживания; камеру можно продуть или промыть без демонтажа.

·         Поставка в сборе с заводскими испытаниями: Камера, индикатор, уровнемер и принадлежности собираются и испытываются на заводе и поставляются с протоколами качества, что сокращает изготовление и монтаж на объекте.

·         Выбор материалов для сложных сред: Ряд материалов — от нержавеющих сталей до никелевых сплавов, от титана до футерованных и пластиковых камер — позволяет подобрать исполнение для коррозионных сред.

Области применения

Магнитные указатели уровня и накладные магнитострикционные уровнемеры применяются на объектах с коррозионными, горючими, токсичными, горячими средами и средами под высоким давлением — прежде всего в нефтегазовой отрасли, нефтехимии, химии и энергетике.

Нефтегазовые процессы

Местная индикация общего уровня и уровня границы раздела в сосудах под давлением и передача этих значений в систему управления. Для сероводородсодержащих (кислых) сред могут предоставляться сертификаты твердости по NACE MR0103 и MR0175/ISO 15156.

Нефтехимия и химические производства

Для коррозионных, токсичных и горючих сред камеры из никелевых сплавов, титана, циркония, с футеровкой PTFE или пластиковые обеспечивают совместимость с продуктом; среда полностью изолирована от индикатора.

Энергетика и котлы

Для котлов высокого давления доступна опция морского и промышленного одобрения типа. Для высокотемпературных сред челночный индикатор с герметичной стеклянной трубкой применим до 538 °C, дополнительно устанавливаются изоляция и обогрев.

Криогенные применения

Индикаторы с удлинителем против обмерзания исключают закрытие шкалы льдом и применяются до –196 °C; криогенная изоляция и зонды уровнемера с продувкой азотом обеспечивают стабильное измерение при низких температурах.

Условия сильной вибрации

Вблизи оборудования с сильной вибрацией, например компрессоров, уровнемер крепится к камере через виброизоляторы, число которых зависит от длины измерения; при длине измерения до 914,4 мм рекомендуется не менее двух изоляторов.

Контроль положения клапанов

С магнитным узлом, закрепленным на штоке клапана, магнитострикционный уровнемер обеспечивает непрерывное измерение положения, например в гидравлических регулирующих клапанах.

Как выбрать магнитный указатель уровня и уровнемер

Магнитные системы измерения уровня изготавливаются под заказ, и корректная работа во многом зависит от расчета поплавка и камеры. Для технической оценки необходимо уточнить следующее:

Рабочая среда

·         Рабочая и минимальная относительная плотность среды; для границы раздела — плотности верхней и нижней жидкостей

·         Рабочие и расчетные температура и давление; минимальная температура окружающей среды

·         Тип измерения: общий уровень, граница раздела или оба (двухуровневое исполнение)

·         Работает ли система на воде/паре и есть ли сильная вибрация

Камера и присоединения к процессу

·         Материал камеры и присоединений; при футерованной камере присоединения выполняются с той же футеровкой

·         Длина измерения и расстояние между присоединениями (между осями, между торцами и т. п.)

·         Размер, тип, класс давления и ориентация присоединений (бок — бок, верх — низ и т. п.)

·         Воздушные и дренажные присоединения, потребность в клапанах

·         Опорные кронштейны при длине более 12 футов (ft); секции на фланцах или цельносварная камера при длине более 20 футов (ft)

Индикатор и шкала

·         Тип индикатора: челночный или флажковый; сочетание цветов флажков

·         Единицы шкалы: ft/дюймы, м/см (цена деления 1 см), проценты или объем; специальные шкалы

·         Соответствие материала трубки индикатора температуре процесса (пластик или герметичное стекло)

·         Потребность в удлинителе против обмерзания для криогенных применений

Уровнемер и интеграция в систему

·         Выход: 4…20 мА HART или FOUNDATION Fieldbus

·         Тип зонда по температуре окружающей среды и процесса; корпус электроники сверху или снизу; при необходимости выносная электроника

·         Калибровка под общий уровень, границу раздела или два поплавка; сертификат проверки калибровки по 3 или 5 точкам

·         Вид взрывозащиты и требование по SIL

·         Опциональный местный индикатор, защита от перенапряжений и материал корпуса

Принадлежности и условия объекта

·         Сигнализаторы уровня на камере для предельного уровня

·         Паровой или электрический обогрев, паровая рубашка, высокотемпературная или криогенная изоляция

·         Магнитные уловители частиц и монтажные опоры

·         Необходимость изоляции камеры для защиты персонала

Если относительная плотность очень низкая или переменная и расчет поплавка затруднен, следует сравнить и альтернативные технологии — измерение перепада давления или волноводный радар.

Стандарты изготовления, испытания и сертификаты

Камеры изготавливаются на собственном производстве сварщиками, аттестованными по нормам. Ниже перечислены основные стандарты, испытания и документы, доступные по запросу.

Объем документации и сертификатов определяется для каждого заказа; требования PED, клейма ASME и NACE важно зафиксировать в начале проекта — это влияет на срок поставки и план изготовления.

Решения TLY Enerji для магнитного измерения уровня

Магнитный указатель уровня — оборудование под давлением, проектируемое под заказ, поэтому TLY Enerji начинает каждый проект со сбора данных. Относительная плотность среды, расчетные давление и температура, длина измерения, расположение присоединений и требования к материалам уточняются по опросному листу, а поплавок, камера, тип индикатора и уровнемер выбираются в рамках одной технической оценки.

Наши инженеры помогают определить требования к документации (ASME, PED, NACE) еще на этапе предложения, сопровождают согласование чертежей и программ испытаний, выполняют интеграцию в ПЛК/РСУ по HART или FOUNDATION Fieldbus, пусконаладку и поддержку на объекте. Для предприятий, где на существующие указатели нужно добавить уровнемер или сигнализаторы, мы планируем переоснащение без остановки процесса. В результате система из индикатора, уровнемера и сигнализаторов вводится в эксплуатацию под единой ответственностью за поставку и инжиниринг.

Часто задаваемые вопросы

Как работает магнитный указатель уровня?

Уровень жидкости в байпасной камере, подключенной параллельно аппарату, по принципу сообщающихся сосудов следует за уровнем в аппарате. Магнитный поплавок внутри камеры движется вместе с жидкостью, а его магнитное поле поворачивает цветные флажки или перемещает челнок снаружи стенки камеры. Уровень считывается как смена цвета на индикаторе, который не контактирует со средой и не требует электропитания.

Как магнитострикционный уровнемер крепится к указателю?

Чувствительная трубка уровнемера устанавливается снаружи параллельно камере указателя с помощью хомутов из нержавеющей стали и регистрирует магнитное поле того же поплавка. Электроника вычисляет положение поплавка по времени пролета крутильной волны, возникающей в проволоке датчика. Дополнительная врезка не нужна, поэтому уровнемер можно установить и на действующий указатель без остановки процесса.

Чем магнитный указатель уровня отличается от смотрового стекла?

В смотровом стекле среда находится непосредственно за стеклом, на которое действуют давление и температура. В магнитном указателе уровня среда остается в закрытой металлической камере, индикатор герметично отделен, стекла под давлением нет. Такая конструкция сокращает число потенциальных точек утечки, повышает безопасность при работе с горючими и токсичными средами и дает цветовой контраст, который легче читать издалека.

Можно ли измерять границу раздела фаз магнитным указателем уровня?

Да. Если поплавок утяжелен так, что тонет в верхней жидкости и плавает в нижней, он отслеживает границу раздела между ними; возможны исполнения для разницы относительной плотности всего 0,03. Если нужны и общий уровень, и граница раздела, применяют два поплавка и двухуровневый индикатор. Магнитострикционный уровнемер также можно откалибровать под два поплавка и получать оба уровня одновременно.

Почему поплавок рассчитывается под конкретный процесс?

Правильное положение поплавка зависит от относительной плотности среды, а также от массы и объема поплавка. Давление и температура определяют толщину стенки и материал. Поэтому каждый поплавок рассчитывается под рабочие условия с выталкивающей силой не менее 75 г. Если относительная плотность заметно опустится ниже расчетной, выталкивающей силы может не хватить, поэтому минимальную относительную плотность нужно указывать обязательно.

Какова точность магнитострикционного уровнемера?

Точность накладного магнитострикционного уровнемера составляет ±0,01 % от полной шкалы (FS) или 1,27 мм (большее из значений), повторяемость — ±0,005 % или 0,315 мм. Эти значения определяются в заводских условиях с калибровочным магнитом. На объекте точность системы зависит также от гистерезиса поплавка, монтажа, свойств среды и условий окружающей среды, поэтому поплавок и уровнемер следует оценивать совместно.

Подходит ли он для криогенных и высокотемпературных процессов?

Да. Конструкция камеры охватывает диапазон от –196 °C до 538 °C. В криогенных применениях используют индикаторы с удлинителем против обмерзания и криогенную изоляцию; криогенные зонды уровнемера с продувкой азотом работают до –195,55 °C. Для высоких температур есть индикаторы с герметичной стеклянной трубкой, изоляционные маты и стандартные зонды до 426,66 °C. Температурный предел уровнемера может быть ниже, чем у камеры, поэтому предел системы проверяют отдельно.

Можно ли добавить уровнемер или сигнализатор без остановки процесса?

Да. Уровнемер, шкала индикатора и магнитные сигнализаторы уровня крепятся хомутами снаружи камеры, поэтому изменения трубопроводов и остановка процесса не нужны. Это позволяет позднее добавить сигнал для системы управления к существующему указателю, переставить точки сигнализации на месте и заменить электронный модуль. Достаточно, чтобы монтаж и калибровка соответствовали длине измерения.

Нужно ли магнитному указателю уровня электропитание?

Нет. Индикатор работает только за счет магнитного поля поплавка и не требует внешнего питания, поэтому уровень читается и при отключении электроэнергии. Электропитание нужно только магнитострикционному уровнемеру и электронным сигнализаторам, добавленным в систему. Уровнемер питается по двухпроводной токовой петле: исполнение HART работает от 12–42 В пост. тока, исполнение Fieldbus — от 9,0–32 В пост. тока.

Какие испытания и документы можно получить?

По запросу могут быть предоставлены радиографический и капиллярный контроль, гидравлические испытания, позитивная идентификация материалов, сертификаты на материалы EN 10204 3.1 или 3.2, клеймо ASME U, UM или S, сертификат соответствия ASME B31.1/B31.3, соответствие PED, сертификаты твердости NACE, CRN, инспекция третьей стороной и кривые поплавка. В состав проектной документации также могут входить чертежи на согласование, карта сварных швов и план контроля и испытаний.