Уровнемеры перепада давления с разделительными мембранами

Что такое уровнемер перепада давления?

Уровнемер перепада давления — это измерительный прибор, который определяет разность между давлением жидкости в нижней части аппарата и опорным давлением и преобразует эту разность в значение уровня. Давление, создаваемое столбом жидкости у его основания, прямо пропорционально высоте столба, плотности жидкости и ускорению свободного падения. В резервуарах, открытых в атмосферу, опорная сторона сообщается с атмосферой; в закрытых аппаратах и аппаратах под давлением сторону низкого давления подключают к газовой фазе, чтобы статическое давление над жидкостью не влияло на результат.

Мембранный разделитель (выносной разделитель) — это замкнутая система между датчиком и процессом, состоящая из гибкой металлической мембраны и заполняющей жидкости, залитой без воздуха. Давление процесса прогибает мембрану, а заполняющая жидкость передает его на сенсор датчика, так что рабочая среда никогда не доходит до собственной мембраны датчика. Системы с мембранными разделителями выбирают, когда температура процесса выходит за пределы датчика, коррозионная среда требует специального материала мембраны, взвеси или вязкие среды могут забить отборы, а также когда обязательно гигиеническое присоединение с мембраной заподлицо.

Поскольку гидростатическое измерение зависит от веса столба жидкости, а не от ее поверхности, на него сравнительно мало влияют пена, пары или волнение поверхности. Вместе с тем точность измерения уровня зависит от того, известна ли плотность жидкости и стабильна ли она. Поэтому измерение уровня по перепаду давления надежно в процессах с определенной плотностью, а при постоянном расстоянии между двумя разделителями позволяет напрямую измерять также плотность и границу раздела фаз.

Принцип гидростатического измерения уровня, границы раздела и плотности

Основное соотношение гидростатического измерения — P = ρ · g · h: в жидкости постоянной плотности давление у дна растет линейно с высотой столба. Измерительная цепь перепада давления с мембранными разделителями включает четыре этапа:

1.      Воздействие давления процесса на мембрану разделителя: Мембрана разделителя стороны высокого давления, подключенного к нижнему штуцеру аппарата, прогибается под суммарным давлением столба жидкости и газовой фазы. В закрытых аппаратах второй разделитель или опорный отбор на верхнем штуцере воспринимает только давление газовой фазы.

2.      Передача давления через заполняющую жидкость: Замкнутый объем между разделителем и датчиком, заполненный заполняющей жидкостью без воздуха, передает давление на изолирующую мембрану датчика. Связь выполняется либо короткой сборкой, в которой разделитель установлен непосредственно на датчик, либо гибкой бронированной капиллярной линией.

3.      Измерение перепада давления: Датчик измеряет разность давлений на сторонах высокого и низкого давления. В закрытых аппаратах давление газовой фазы действует на обе стороны, поэтому перепад отражает только гидростатическое действие столба жидкости; в атмосферных резервуарах достаточно измерения избыточного давления.

4.      Пересчет в уровень, границу раздела или плотность: С учетом положения разделителей и плотности жидкости датчик пересчитывает измеренный перепад давления в уровень, объем или процент заполнения. Значение передается в систему управления аналоговым сигналом 4–20 мА с цифровым протоколом HART или, в зависимости от выбранной модели, по цифровой полевой шине.

Выбор заполняющей жидкости

Заполняющая жидкость сильнее всего определяет рабочую температуру, стойкость к вакууму и совместимость системы разделителей с процессом. Общепромышленные заполняющие жидкости на силиконовой основе охватывают примерно от –45 °C до 205 °C. Для низких температур есть специальные жидкости до –105 °C; для высоких — высокотемпературные силиконовые жидкости, которые в сочетании с удлинителями и термовставками (элементами расширения температурного диапазона) выдерживают 315 °C и 370 °C. Сверхвысокотемпературная заполняющая жидкость, применяемая с термовставкой, пригодна для длительной работы при 410 °C; расчетная температура 454 °C относится только к кратковременному воздействию общей продолжительностью не более 12 часов.

Для реакционноспособных сред, таких как кислород или хлор, предпочтительна инертная галогенированная заполняющая жидкость (от –45 °C до 160 °C), а для пищевых и фармацевтических процессов — жидкости пищевого класса. К пищевым вариантам относятся смеси глицерин–вода и пропиленгликоль–вода для диапазона от –15 °C до 95 °C, непригодные для работы под вакуумом, а также пищевые заполняющие жидкости, выдерживающие в зависимости от конфигурации 225 °C и 300 °C. Относительная плотность заполняющих жидкостей составляет примерно от 0,795 до 1,85, поэтому давление столба жидкости в капиллярной линии необходимо учитывать в расчете системы. Под вакуумом температурные пределы всех заполняющих жидкостей снижаются.

Прямой монтаж, капиллярные и асимметричные системы разделителей

При прямом монтаже разделитель соединяется с корпусом датчика коротким присоединением; объем заполняющей жидкости невелик, поэтому температурные влияния и время отклика благоприятны. Такое решение распространено при измерении избыточного или абсолютного давления на резервуарах, открытых в атмосферу или с дыхательным клапаном. При выносном монтаже между разделителем и датчиком проходит гибкая капиллярная линия; этот вариант выбирают для измерений перепада, требующих подключения к верхнему штуцеру аппарата, и для высокотемпературных задач, где электронику нужно удалить от горячего технологического присоединения.

В классической симметричной системе оба разделителя подключаются к датчику капиллярами одинаковой длины. В асимметричной системе на стороне высокого давления применяется разделитель прямого монтажа, а на стороне низкого давления — разделитель с капилляром. Отказ от лишней длины капилляра и отдельного крепежа датчика упрощает монтаж и по сравнению с симметричной системой может сократить время отклика и температурную погрешность. Капиллярная линия изготавливается из трубки из нержавеющей стали 316L и защищается броней из нержавеющей стали или нержавеющей броней с ПВХ-покрытием; покрытие ПВХ не допускается нагревать выше 100 °C.

Температурные влияния и характеристики системы

Суммарные характеристики системы с мембранными разделителями определяются не только основной погрешностью датчика, но и тепловым расширением заполняющей жидкости в разделителях и капиллярах. Температурная погрешность разделителя вызвана изменением объема заполняющей жидкости внутри разделителя; температурная погрешность столба возникает из-за изменения плотности заполняющей жидкости в капиллярном столбе между двумя разделителями при колебаниях температуры окружающей среды. Доступны капилляры с внутренним диаметром 0,7 мм, 1,1 мм и 1,9 мм: малый диаметр снижает температурное влияние, но увеличивает время отклика, больший диаметр ускоряет отклик.

Все эти влияния можно рассчитать на этапе проекта и оформить в отчете о характеристиках системы с температурной погрешностью разделителя и столба, временем отклика разделителя и суммарной вероятной погрешностью. У выносного разделителя при монтаже в вертикальной плоскости возможно смещение нуля до ±2,49 мбар, в горизонтальной — до ±12,45 мбар (для удлиненных разделителей добавляется влияние длины удлинения); эти смещения устраняются подстройкой нуля и не влияют на диапазон. Если температура процесса или окружающей среды превышает 85 °C, допустимые температурные пределы снижаются из-за теплопередачи к датчику.

Электронная схема измерения перепада

В задачах, где иначе потребовались бы длинные капилляры или импульсные линии, например на высоких аппаратах и ректификационных колоннах, можно применить электронную схему измерения перепада: два отдельных датчика давления соединяются стандартным электрическим кабелем. Один сенсор измеряет давление в нижней части аппарата, другой — в верхней; электроника вычисляет перепад давления, уровень и объем и передает их по одной двухпроводной токовой петле 4–20 мА HART. Давления на сторонах высокого и низкого давления также можно контролировать как отдельные переменные.

Такая схема исключает мокрые и сухие опорные линии, а также обогрев и теплоизоляцию капиллярных линий и уменьшает температурные влияния и медленный отклик, характерные для длинных капилляров. Кабель между сенсорами может иметь длину до 152,4 м; при этом необходимо соблюдать максимальные длины кабеля 68,58 м для искробезопасных установок и 60,96 м для установок в составе систем ПАЗ. Диапазон сенсоров выбирается по максимальному статическому давлению, а не по перепаду, а соотношение перепада и статического давления следует оценить на этапе проекта.

Системы разделителей выпускаются в двух конструкциях: сварной ремонтопригодной, в которой сварены все соединения, кроме уплотнения между сенсорным модулем и фланцем датчика, что при необходимости позволяет повторно использовать датчик, и полностью сварной, в которой сварены все соединения, включая изоляторы сенсора; последняя рекомендуется для вакуума ниже 400 мбар абс. В обеих конструкциях системы не имеют резьбовых соединений и проходят 100 % испытание на герметичность гелием.

Ключевые особенности

Системы измерения перепада давления с мембранными разделителями имеют модульную структуру: датчик, разделитель, заполняющая жидкость и схема подключения подбираются совместно. Основные технические особенности:

·         Широкий выбор разделителей и присоединений: Фланцевые разделители с мембраной заподлицо, удлиненные и низкопрофильные (дисковые), фланцы с уплотнительной поверхностью под кольцо RTJ, выносные фланцевые и резьбовые разделители, гигиенические разделители, а также специальные исполнения: седловые, для монтажа на трубу, химический тройник, межфланцевые проходные и проточные фланцевые.

·         Заполняющие жидкости под задачу: Общепромышленные, низкотемпературные, высоко- и сверхвысокотемпературные, инертные и пищевые заполняющие жидкости охватывают в зависимости от конфигурации условия процесса от –105 °C до 410 °C.

·         Широкий выбор материалов мембраны: Нержавеющая сталь 316L, сплав C-276, тантал, титан Gr. 4, сплав 400, сплав 600, сплав C-22, никель 201, цирконий 702, дуплексная нержавеющая сталь 2205/2507 и 304L позволяют согласовать разделитель с коррозионной средой.

·         Покрытие и толщина мембраны: Доступны мембрана с золотым покрытием 5 мкм против проникновения водорода, мембрана с покрытием PTFE для снижения налипания и мембрана толщиной 150 мкм для сред с абразивными частицами.

·         Прочная конструкция разделителя: Опорные гофры мембраны сохраняют целостность разделителя, а утопленная мембрана снижает риск повреждения при транспортировке и монтаже.

·         Сварная герметичная конструкция системы: Сварная конструкция без резьбовых соединений, заполнение без воздуха и 100 % испытание на герметичность гелием обеспечивают стабильность измерительной системы во времени; полностью сварная конструкция пригодна для работы при полном вакууме.

·         Три внутренних диаметра капилляра: Внутренние диаметры капилляра 0,7 мм, 1,1 мм и 1,9 мм позволяют оптимизировать баланс между точностью и временем отклика для конкретной задачи.

·         Опция промывочного кольца: В процессах, склонных к забиванию, нижний корпус с промывочными отверстиями ¼–18 NPT или ½–14 NPT перед мембраной разделителя позволяет очищать поверхность мембраны без демонтажа.

·         Опция электронной схемы измерения перепада: Схема с двумя датчиками давления, соединенными кабелем, исключает длинные капилляры и позволяет получать перепад давления, уровень и объем на высоких аппаратах по одной токовой петле.

·         Расчет характеристик системы: Отчет с расчетом температурной погрешности разделителя и столба, времени отклика и суммарной вероятной погрешности помогает проверить проектное решение до заказа.

·         Выбор протоколов связи: В зависимости от семейства датчиков доступны 4–20 мА HART, 1–5 В пост. тока HART с низким энергопотреблением, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA и WirelessHART (IEC 62591); в некоторых семействах возможна локальная настройка по Bluetooth.

Технические характеристики

Ниже приведены обобщенные технические данные систем измерения уровня по перепаду давления с мембранными разделителями, описанных на этой странице. Значения зависят от семейства датчиков, класса точности, типа разделителя, заполняющей жидкости и длины капилляра; окончательные значения следует подтверждать на этапе проекта расчетом системы.

Стандартная шероховатость смачиваемой поверхности гигиенических разделителей — Ra < 0,81 мкм. Предел перегрузки определяется меньшим из двух значений: классом давления фланца или пределом сенсора; допустимое давление фланца снижается с ростом температуры.

Основные преимущества

·         Датчик изолирован от процесса: Коррозионные, горячие или загрязняющие среды контактируют только с мембраной разделителя; сенсор и электроника датчика защищены от условий процесса.

·         Меньше риск забивания и загрязнения: Мембраны заподлицо и промывочные кольца поддерживают непрерывность измерения на вязких средах и средах с твердыми частицами, которые могли бы забить импульсные линии.

·         Точный уровень в аппаратах под давлением: Подключение стороны низкого давления к газовой фазе компенсирует статическое давление над жидкостью, поэтому в закрытых резервуарах и реакторах измеряется истинный уровень.

·         Измерение при экстремальных температурах: При правильном выборе заполняющей жидкости, удлинителя и капилляра возможны измерения в процессах, температура которых намного превышает собственные пределы датчика.

·         Совместимость с гигиенической мойкой: Гигиенические разделители с мембраной заподлицо упрощают процедуры CIP/SIP и помогают предотвратить перекрестное загрязнение между партиями.

·         Более простой монтаж: Асимметричные системы разделителей и электронная схема измерения перепада сокращают потребность в лишних капиллярах, мокрых или сухих опорных линиях и обогреве, снижая трудозатраты на монтаж и обслуживание.

·         Прогнозируемые характеристики измерения: Расчетный отчет по системе показывает погрешности, связанные с разделителями и капиллярами, еще до заказа и помогает выбрать правильное сочетание разделителя, заполняющей жидкости и капилляра.

·         Поставка единой системой: Сборка, заполнение и испытание датчика вместе с разделителем на заводе исключают ошибки заполнения и сборки на объекте.

Области применения

Уровнемеры перепада давления с мембранными разделителями применяются для измерения уровня, границы раздела фаз, плотности, расхода и давления — прежде всего в процессах с экстремальными температурами, коррозионными или склонными к забиванию средами и гигиеническими требованиями. Если в резервуарах хранения нужно рассчитывать объем и массу, измерение можно проектировать совместно с системами измерения уровня в резервуарах; для местной индикации на том же аппарате его дополняют магнитные указатели уровня.

Химия и нефтехимия

В реакторах и резервуарах хранения коррозионных химикатов мембраны из тантала, циркония, титана или никелевых сплавов изолируют датчик от процесса. В реакторах под давлением сторону низкого давления подключают к газовой фазе, чтобы компенсировать статическое давление.

Нефтепереработка, добыча нефти и газа

В средах, содержащих сероводород (H₂S), применяются материалы, отвечающие требованиям NACE MR0175/ISO 15156 и MR0103. Там, где существенно проникновение водорода, рассматриваются мембраны с золотым покрытием, а для линий высокого класса давления — фланцевые разделители до Class 2500.

Ректификационные колонны и высокие аппараты

На высоких колоннах, где потребовались бы длинные капилляры или импульсные линии, электронная схема измерения перепада снижает температурные влияния и запаздывание отклика. Для сокращения длины капилляров также можно выбрать асимметричные системы разделителей.

Пищевая промышленность, производство напитков и молочной продукции

Разделители с гигиеническим хомутом, приварной втулкой резервуара и присоединением DIN 11851 в сочетании с пищевыми заполняющими жидкостями обеспечивают измерение уровня в емкостях с мойкой CIP/SIP. Доступны типы разделителей с соответствием 3-A и EHEDG.

Фармацевтика и биотехнологии

Шероховатость поверхности Ra < 0,81 мкм, опциональный сертификат качества поверхности и уплотнительные кольца с соответствием USP Class VI позволяют создать очищаемую и документируемую точку измерения в стерильных процессах.

Вязкие среды, среды с твердыми частицами и вакуумные процессы

На средах со взвесями или вязких средах разделители с мембраной заподлицо или удлиненные разделители и промывочные кольца снижают риск забивания. В аппаратах под вакуумом используются полностью сварные системы и заполняющие жидкости, пригодные для вакуума.

Как выбрать уровнемер с мембранными разделителями

Успех измерения уровня по перепаду давления с мембранными разделителями зависит от того, насколько согласованно под условия процесса подобраны датчик, разделитель, заполняющая жидкость и капилляр. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Условия процесса и измерения

·         Измерительная задача: уровень, граница раздела фаз, плотность или их сочетание

·         Минимальная и максимальная плотность жидкости (жидкостей); для границы раздела — разность плотностей двух жидкостей

·         Тип аппарата: атмосферный, под давлением или работающий под вакуумом

·         Максимальное статическое давление и измеряемый диапазон перепада давления

·         Минимальная / номинальная / максимальная температура процесса и температуры окружающей среды по трассе разделителей и капилляров

·         Коррозионная активность, вязкость, содержание твердых частиц и склонность среды к налипанию

Разделитель, мембрана и заполняющая жидкость

·         Тип и размер штуцера, стандарт фланца (ASME, EN, JIS) или тип резьбового / гигиенического присоединения

·         Потребность в удлиненном разделителе при риске отложений внутри штуцера

·         Материал мембраны, покрытие (золото, PTFE) и толщина

·         Температурный диапазон заполняющей жидкости, пригодность для вакуума и соответствие пищевым требованиям

·         Потребность в промывочном кольце и промывочном присоединении

Архитектура системы и монтаж

·         Прямой монтаж, симметричная капиллярная, асимметричная система или электронная схема измерения перепада

·         Вертикальное расстояние между верхним и нижним штуцерами, длина и внутренний диаметр капилляра

·         Выбор между сварной ремонтопригодной и полностью сварной конструкцией

·         Воздействие на датчик и капиллярную линию солнца, обогрева или горячих поверхностей

·         Оценка альтернатив: волноводные радарные уровнемеры для процессов с переменной плотностью или бесконтактные радарные уровнемеры там, где контакт с процессом нежелателен

Электроника, связь и документация

·         Тип выхода под систему управления: 4–20 мА HART, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA или WirelessHART

·         Классификация взрывоопасной зоны и требуемый сертификат взрывозащиты

·         Требования функциональной безопасности (IEC 61508)

·         Потребность в соответствии NACE, прослеживаемости материалов по EN 10204 3.1 и сертификате качества гигиенической поверхности

·         Включение отчета о расчете характеристик системы в объем заказа

В процессах со значительно изменяющейся плотностью гидростатическое измерение уровня может потребовать компенсации плотности; для таких задач выбор технологии измерения следует оценивать отдельно на основе данных процесса.

Сертификаты, одобрения и стандарты присоединения

В зависимости от выбранного семейства датчиков и типа разделителя для систем измерения уровня по перепаду давления с мембранными разделителями доступны следующие одобрения, сертификаты и стандарты:

Состав одобрений и сертификатов зависит от семейства датчиков, протокола выхода и типа разделителя; набор сертификатов, действующий для конкретного проекта, следует подтверждать совместно с инженерной командой TLY Enerji.

Решения TLY Enerji для измерения уровня по перепаду давления

Хороший результат при измерении уровня с мембранными разделителями дает не выбор одного прибора из перечня, а совместный учет геометрии штуцеров, температуры процесса, вакуума, химии среды и трассы капилляров. Инженерная команда TLY Enerji собирает данные вашего процесса и оценивает тип разделителя, материал мембраны, заполняющую жидкость и архитектуру системы в комплексе; при необходимости расчет характеристик системы показывает ожидаемую суммарную погрешность еще до размещения заказа.

На протяжении проекта мы помогаем с расчетами измерения для закрытых резервуаров, границы раздела и плотности, подготовкой схем P&ID и опросных листов на приборы, оценкой требований взрывозащиты и функциональной безопасности, интеграцией измерения в ПЛК, РСУ или SCADA, а также с планированием подстройки нуля и калибровки при пусконаладке. В результате точка измерения уровня остается прослеживаемой, а ее обслуживание — предсказуемым даже при изменении условий процесса.

Часто задаваемые вопросы

Как работает уровнемер перепада давления?

Давление, которое столб жидкости создает у дна, пропорционально высоте столба и плотности жидкости. Датчик измеряет разность между давлением в нижней части аппарата и опорным давлением и с учетом плотности жидкости пересчитывает эту разность в уровень, объем или процент заполнения. В системах с мембранными разделителями давление передается от мембраны разделителя к датчику через заполняющую жидкость; измеренное значение поступает в систему управления по 4–20 мА HART или цифровым протоколам.

Чем отличается измерение уровня по перепаду давления в открытом и закрытом резервуаре?

В резервуарах, открытых в атмосферу, на поверхность жидкости действует атмосферное давление, поэтому опорная сторона датчика сообщается с атмосферой и достаточно измерения избыточного давления. В закрытых аппаратах и аппаратах под давлением на показания влияет давление газовой фазы. Если сторону низкого давления подключить к верхней части аппарата через разделитель или отбор, это статическое давление действует на обе стороны, и перепад отражает только столб жидкости.

Когда нужен мембранный разделитель?

Мембранный разделитель применяют, если температура процесса выходит за рабочие пределы датчика, если среда коррозионная и требует специального материала мембраны, если взвеси или вязкие среды могут забить отборы давления, а также если нужно гигиеническое присоединение с мембраной заподлицо, пригодное для мойки CIP/SIP. Системы с разделителями предпочтительны и в процессах, где точки подключения нужно легко очищать между партиями.

Как выбрать заполняющую жидкость для мембранного разделителя?

Главные факторы — диапазон температуры процесса и окружающей среды, работа под вакуумом и совместимость с процессом. Общепромышленные жидкости на силиконовой основе охватывают примерно от –45 °C до 205 °C; для низких температур есть жидкости до –105 °C, для высоких — в зависимости от конфигурации до 410 °C. Для реакционноспособных сред предпочтительны инертные жидкости, для пищевых и фармацевтических процессов — жидкости пищевого класса. Под вакуумом температурные пределы снижаются.

Как длина и внутренний диаметр капиллярной линии влияют на измерение?

Чем длиннее капилляр, тем больше в нем заполняющей жидкости, а значит, сильнее влияние колебаний температуры окружающей среды на показания и больше время отклика. Меньший внутренний диаметр снижает температурное влияние, но замедляет отклик, больший — ускоряет его. Поэтому диаметр выбирают из вариантов 0,7 мм, 1,1 мм и 1,9 мм под конкретную задачу, а длину капилляра не делают больше необходимой. Здесь преимущество дают асимметричные системы.

Как измерить границу раздела фаз и плотность по перепаду давления?

Для измерения границы раздела два разделителя устанавливают на фиксированном расстоянии ниже и выше зоны, где встречаются две жидкости разной плотности; при изменении соотношения жидкостей между разделителями меняется перепад давления, по которому рассчитывается положение границы. При измерении плотности вертикальное расстояние между разделителями постоянно, поэтому, пока уровень жидкости находится выше верхнего разделителя, измеренный перепад прямо пропорционален плотности жидкости.

Чем заменить капиллярные линии на высоких колоннах?

На высоких аппаратах и ректификационных колоннах можно применить электронную схему измерения перепада: два отдельных датчика давления в нижней и верхней частях аппарата соединяются электрическим кабелем. Перепад давления и уровень рассчитываются электроникой и передаются по одной токовой петле 4–20 мА HART. Длинные капилляры, мокрые или сухие опорные линии и обогрев больше не нужны; однако диапазон сенсоров выбирается по максимальному статическому давлению.

Какие мембранные разделители применяются в гигиенических процессах?

В пищевой и молочной промышленности, производстве напитков и фармацевтике используются разделители с гигиеническим хомутовым присоединением, приварной втулкой резервуара (в том числе тонкостенной и фланцевой удлиненной), проходным хомутом и присоединением DIN 11851. Стандартная шероховатость их смачиваемых поверхностей — Ra < 0,81 мкм, отдельные типы соответствуют 3-A и EHEDG. Доступны также пищевые заполняющие жидкости и уплотнительные кольца с соответствием USP Class VI.

Что учитывать при измерении уровня в аппаратах под вакуумом?

Для вакуумных применений следует выбирать полностью сварную конструкцию, в которой сварены все соединения, включая изоляторы сенсора; она рекомендуется при давлении ниже 400 мбар абс. Заполняющая жидкость должна быть пригодна для вакуума: некоторые пищевые жидкости, например смеси глицерин–вода и пропиленгликоль–вода, для этого не подходят. В расчете системы также нужно учитывать, что под вакуумом допустимая максимальная температура заполняющих жидкостей ниже.