Преобразователи уровня с заподлицо установленной мембраной: уровень пульп и шламов без засорения

Датчики уровня с заподлицо мембраной: измерение уровня шлама и осадка без засорения

Датчик уровня с заподлицо мембраной — это гидростатический преобразователь давления, чувствительный элемент которого представляет собой плоскую металлическую или полимерную мембрану, установленную заподлицо с технологическим соединением, поэтому отсутствует штуцер давления, сопло или импульсная линия, которые могут засориться. Он измеряет гидростатический напор столба жидкости над ним в диапазонах от 0-1 м вод. ст. до 0-100 м вод. ст., с типичной точностью 0,25-0,5% от полной шкалы (FS), и выдает сигнал 4-20 мА. Поскольку мембрана из 316L или с PTFE-покрытием установлена заподлицо со стенкой резервуара или поверхностью фланца, мертвое пространство исключено, и шлам, пульпа, целлюлоза или кристаллизующиеся среды не могут перемыкать или уплотняться за элементом, что делает датчик уровня с заподлицо мембраной стандартным решением для измерения уровня без засорения для сточных вод, пульп и вязких сред.

Проблема засорения: почему обычные преобразователи давления выходят из строя на пульпе и шламе

Стандартные преобразователи давления измеряют уровень через штуцер давления или импульсную линию, которая соединяет процесс с чувствительным элементом. На чистой воде или легких химикатах это работает хорошо, но на грязных, вязких или содержащих твердые частицы средах это выходит из строя предсказуемым образом.

Мертвые зоны за мембраной. Обычный преобразователь имеет полость, капиллярную трубку или сопло между процессом и кремниевой ячейкой. В резервуаре для шлама или приямке для пульпы твердые частицы оседают в этой полости, со временем затвердевают и образуют пробку, которая плохо или вообще не передает давление. Результат — дрейф нулевой точки и показание уровня, которое больше не соответствует реальному содержимому резервуара.

Заблокированные импульсные линии. Когда преобразователь установлен дистанционно и соединен трубкой или трубопроводом, импульсная линия заполняется технологической средой. Волокнистые материалы в целлюлозно-бумажной массе, тряпье в сточных водах и осажденные соли в химических процессах — все это собирается в линии. Как только линия блокируется, преобразователь считывает запертое давление, а не фактический уровень жидкости, и очистка линии — это ручная трудоемкая работа, которая выводит прибор из эксплуатации.

Перемыкание твердых частиц и образование корки. Среды, которые кристаллизуются или образуют корку, такие как каустический рассол, известковые суспензии, гипс или растворы полимеров, могут перемыкать отверстие штуцера давления. Корка толщиной всего в несколько миллиметров достаточна, чтобы изолировать ячейку от процесса, что приводит к застывшим показаниям. Тот же отказ проявляется в пищевых применениях, где пасты и сиропы карамелизуются или застывают вокруг штуцера.

Общая черта — геометрия: любое утопленное отверстие, сопло или трубка создают место, где могут накапливаться твердые частицы. Датчик уровня с заподлицо мембраной полностью устраняет эту геометрию.

Принцип заподлицо мембраны: давление через плоский, установленный заподлицо элемент

В приборе с заподлицо мембраной чувствительный элемент приваривается или зажимается так, что его передняя поверхность точно совпадает с плоскостью фланца, резьбового технологического соединения или зажима. Технологическая среда давит непосредственно на всю поверхность мембраны, а мембрана, обычно толщиной 0,05-0,20 мм из стали 316L или 316L с PTFE/PVDF покрытием, прогибается под действием гидростатического напора. Заполняющая жидкость, находящаяся между мембраной и чувствительной ячейкой, передает эту деформацию на кремниевый датчик давления позади нее.

Поскольку мембрана установлена заподлицо, отсутствует мертвое пространство, импульсная линия и отверстие, которое может засориться. Осадок, шлам, пульпа и вязкие пасты омывают элемент, не накапливаясь, поэтому данную конструкцию также называют преобразователем давления с мембраной заподлицо или преобразователем с нулевым мертвым объемом. Диапазон давления определяется площадью и жесткостью мембраны: мембраны большего размера (до DN80/DN100 или фланцев 3-4 дюйма) обеспечивают низкие диапазоны до 0-1 м вод. ст. с хорошим разрешением, в то время как меньшие соединения выдерживают высокие статические давления. WELK гидростатический преобразователь уровня с мембраной заподлицо охватывает весь диапазон размеров мембран, смачиваемых материалов и вариантов выходного сигнала, используемых при работе с шламом и сточными водами.

Смачиваемые материалы и совместимость со средами

Выбор смачиваемого материала является наиболее важным решением для преобразователя с мембраной заподлицо, поскольку он должен противостоять как химическому воздействию, так и абразивному износу технологической среды.

Нержавеющая сталь 316L является стандартным материалом мембраны и подходит для большинства осадков сточных вод, первичных и вторичных отстойников, целлюлозной массы умеренной консистенции и нейтральных или слабокоррозионных шламов. Для технологических температур до примерно 130-150 °C непрерывно обычно достаточно стали 316L.

Мембраны из Hastelloy C-276 применяются для сильно кислых или хлорсодержащих шламов, таких как соляная кислота, влажный хлор и дозирование хлорида железа при очистке сточных вод. Мембрана из Hastelloy предотвращает питтинговую и щелевую коррозию, которая сокращает срок службы стали 316L в таких средах.

Мембраны с PTFE или PVDF покрытием добавляют полимерный барьер поверх металла для сильно коррозионных сред, таких как концентрированные кислоты, щелочи и агрессивные растворители, сохраняя при этом геометрию заподлицо. PTFE покрытия также используются там, где среда имеет тенденцию прилипать к металлу. WELK антикоррозионный гидростатический преобразователь уровня построен на коррозионностойких смачиваемых деталях для химических суспензий и агрессивных дозирующих применений.

Санитарные исполнения для пищевой, напиточной и фармацевтической промышленности используют сталь 316L с шероховатостью поверхности Ra ≤ 0,4 мкм, зажимные соединения, соответствующие стандарту 3A, и сварные швы без зазоров. Они описаны в разделе о санитарных исполнениях ниже.

Для абразивных сред следует учитывать, что тонкая мембрана, подвергающаяся непрерывному воздействию твердых частиц, может разрушаться в течение многих лет эксплуатации. При сильной абразии может быть оправдана более толстая мембрана, PTFE-колпачок или удлиненная версия, которая перемещает элемент в защищенный карман, и инженеры WELK порекомендуют правильную комбинацию в зависимости от диаметра мембраны, твердости среды и скорости потока.

Основные технические характеристики преобразователей уровня с заподлицо мембраной

При сравнении преобразователей с заподлицо мембраной характеристики, которые важны для принятия технологических решений, следующие:

• Диапазон измерения: Обычно от 0-1 м вод. ст. (0-10 кПа) до 0-100 м вод. ст. (0-1 МПа), с промежуточными диапазонами, такими как 0-2, 0-5, 0-10, 0-20 и 0-35 м вод. ст. Широкий диапазон перенастройки до 10:1 позволяет одному прибору обслуживать несколько резервуаров.
• Точность: 0,25-0,5% от полной шкалы для промышленных версий; 0,5% от полной шкалы типично при средних технологических температурах. Санитарные и коммерческие версии могут достигать 0,1-0,2% от полной шкалы.
• Выходной сигнал и питание: Стандартный 4-20 мА двухпроводной HART, с опциями RS-485/Modbus и 0-5 В или 0-10 В. Петля 4-20 мА остается доминирующим интерфейсом в существующих системах DCS и PLC.
• Температура процесса: Пределы температуры диафрагмы от -20 °C до +130 °C непрерывно для стандартных версий из 316L, с высокотемпературными вариантами до +200 °C и низкотемпературными опциями для криогенных применений. Корпус электроники обычно рассчитан на -20 °C до +70 °C и отделен от температуры процесса диафрагмой и заполняющей жидкостью.
• Защита окружающей среды: Промышленные корпуса имеют классы защиты IP65-IP68. Полностью погружные гидростатические уровнемеры с классом IP68 допускают постоянное погружение в резервуары, колодцы и приямки, в то время как фланцевые версии с заподлицо и корпусами IP66/IP67 охватывают установки над резервуаром.
• Вакуумная стойкость: Поскольку диафрагма напрямую связана с заполняющей жидкостью и ячейкой, она должна выдерживать вакуум без разрыва диафрагмы или потери заполняющей жидкости. Конструкции, устойчивые к вакууму, важны для резервуаров, которые откачиваются или опорожняются ниже датчика, а также для сосудов, работающих в циклах давление-вакуум. Указывайте требование вакуумной стойкости явно, если резервуар может быть опорожнен.

Номинальное статическое давление обычно составляет от 1,6 бар до 40 бар и более в зависимости от класса фланца (PN16, PN40, ANSI 150/300), поэтому при выборе прибора подтверждайте рабочее давление в резервуаре, а не только уровень жидкости.

Заподлицо, с вынесенной диафрагмой или обычная: руководство по выбору

Все три семейства являются гидростатическими датчиками уровня, но они не взаимозаменяемы для загрязненных сред.

Выбирайте заподлицо мембрану, когда среда засоряется, оседает или кристаллизуется. Выбирайте удлиненную мембрану, когда температура процесса превышает предел заполняющей жидкости заподлицо устройства (выше примерно 150 °C) или когда статическое давление очень высокое, принимая небольшой мертвый карман. Выбирайте обычный преобразователь только тогда, когда среда чистая и вам нужна максимальная диапазонность или наименьшая стоимость. Для более полного сравнения радиолокационных, ультразвуковых, гидростатических и других технологий для шлама и сточных вод, руководство WELK по выбору датчиков измерения уровня воды и сточных вод рассматривает компромиссы по применению.

Подробный разбор применений

Резервуары для шлама сточных вод и насосные станции

На муниципальных или промышленных очистных сооружениях преобразователи с заподлицо мембраной устанавливаются на дне резервуаров для хранения шлама, сгустителей, метантенков и мокрых колодцев насосных станций. В первичном шламе с содержанием твердых веществ 2-6% обычный преобразователь со штуцером забивается в течение недель; заподлицо мембрана с поверхностью из 316L продолжает правильно показывать в течение лет. Насосные станции, где среда — сырые сточные воды с тряпками и песком, — еще один классический случай: заподлицо элемент избегает накопления тряпок, которые блокируют барботажные линии и штуцеры. Руководство WELK по гидростатический датчик уровня сточных вод специально сконфигурирован для этих задач, а страница применения для уровня воды и сточных вод содержит полный набор приборов для данной отрасли.

Баки для бумажной массы в целлюлозно-бумажной промышленности

Бумажная масса с консистенцией 3-6% является волокнистой и абразивной, и она наматывается на любой выступающий датчик. Мембрана заподлицо, установленная в стенке бака, надежно измеряет гидростатический столб массы, а гладкая поверхность предотвращает накопление волокна между партиями. Поскольку масса может содержать захваченный воздух, прямой контакт мембраны заподлицо с жидкостным столбом дает более стабильные показания, чем методы с воздушной подушкой.

Химические суспензии

На химических предприятиях обработка суспензий варьируется от известковых суспензий и суспензий диоксида титана до гипсовых и катализаторных суспензий. Известковые и гипсовые суспензии кристаллизуются и образуют корку на отверстиях; мембрана заподлицо с покрытием из Хастеллоя или ПТФЭ предотвращает образование корки в точке измерения. Для резервуарных парков, работающих с несколькими агрессивными жидкостями, руководство по измерению уровня в химических резервуарах и страница применения для химических резервуаров являются полезными дополнениями к линейке продуктов с мембраной заподлицо.

Пищевые пасты, краски и клеи

Пасты и вязкие продукты, такие как томатная паста, горчица, шоколад, краски, клеи и смолы, смачивают металл и прилипают к нему. Мембрана заподлицо с гладкой поверхностью большой площади не дает этим продуктам за что-либо зацепиться, что могло бы блокировать сигнал. В пищевой промышленности санитарные версии с мембраной заподлицо, описанные ниже, также соответствуют требованиям к очистке предприятия.

Шламовые приямки и хвостохранилища

Горнодобывающие приямки собирают плотный абразивный шлам, часто содержащий 20-40% твердых веществ по весу. Преобразователь с мембраной заподлицо, установленный в стенке приямка, гораздо лучше выдерживает удар твердых частиц, чем зонд или барботер, а выходной сигнал 4-20 мА напрямую подается в логику управления насосом, которая регулирует уровень в приямке. Для очень глубоких приямков и прудов погружной вариант с мембраной заподлицо класса IP68 является альтернативой настенному устройству.

Санитарные преобразователи с мембраной заподлицо для пищевых и фармацевтических предприятий

Измерение уровня в пищевой и фармацевтической промышленности добавляет требования к очистке и гигиеническому дизайну в дополнение к проблеме засорения. Сам продукт — йогурт, сироп, сливки, ферментационный бульон, возвратный раствор CIP — является вязким, и поверхности, контактирующие с продуктом, не должны задерживать остатки, которые могут стать средой для размножения бактерий.

A санитарный преобразователь уровня с мембраной заподлицо изготавливается с мембраной из стали 316L, отполированной до Ra ≤ 0,4 мкм, сварной или зажимной с бесщелевым соединением и заканчивается санитарным зажимом 3A (три-кламп) от DN25 до DN51, или фитингом Varivent или DIN11851. Поскольку мембрана установлена заподлицо, отсутствуют резьбы, карманы или тупиковые зоны, где продукт может скапливаться и ферментироваться.

Совместимость с CIP (очистка на месте) и SIP (стерилизация на месте) зависит от температурной и химической стойкости прибора. Санитарный преобразователь с мембраной заподлицо должен выдерживать циклы CIP с щелочью и кислотой при 85-95 °C, а для SIP — кратковременные воздействия насыщенного пара при 130-140 °C без повреждения мембраны или заполняющей жидкости. Рекомендации EHEDG и 3A отдают предпочтение чувствительным элементам заподлицо без щелей именно по причине, описанной здесь: отсутствие мертвого пространства означает отсутствие остатков, что означает отсутствие среды для микроорганизмов. Если между процессом и заполняющей жидкостью требуется стерильный барьер, санитарный преобразователь с мембраной заподлицо со сварной металлической мембраной обеспечивает необходимую целостность.

Советы по установке и калибровке

Правильная установка преобразователя с мембраной заподлицо — это разница между годами надежной работы и хронической проблемой технического обслуживания.

Приварной фланец или седло трубы. Наиболее распространенным способом монтажа является приварной фланец, патрубок или седло трубы, привариваемое к стенке резервуара, к которому затем крепится преобразователь. Сначала приварите монтажную деталь, затем установите преобразователь — никогда не сваривайте при установленном приборе, поскольку сварочный ток может пройти через диафрагму и заполняющую жидкость, а тепло может повредить электронику. Если сварка должна выполняться рядом с установленным прибором, снимите его или защитите диафрагму приварной крышкой.

Ориентация при монтаже. Устанавливайте преобразователь так, чтобы плоскость диафрагмы была вертикальной или слегка наклонена вниз при боковом монтаже. Это предотвращает скопление осевших твердых частиц на поверхности диафрагмы. Для нижнего монтажа используйте фланцевую компоновку, позволяющую твердым частицам стекать с поверхности.

Настройка нулевой точки. После установки заполните резервуар до известного контрольного уровня или опорожните его, затем выполните коррекцию нуля. Поскольку фланцевая диафрагма воспринимает полное гидростатическое давление, включая заполнение импульсной линии и монтажные напряжения, полевая коррекция нуля при фактических технологических условиях компенсирует оба фактора. Повторно установите ноль после любого изменения технологической температуры, влияющего на заполняющую жидкость, и проверьте с помощью ручного насоса, если прибор это поддерживает.

Защита диафрагмы во время строительства. Перед гидростатическими испытаниями или вводом в эксплуатацию закройте диафрагму защитной крышкой. Диафрагмы по конструкции тонкие, и даже одна брызга сварки или скачок давления при испытании трубопровода могут необратимо деформировать их.

Проводка и защита от перенапряжений. Используйте экранированную витую пару для контура 4-20 мА, заземлите экран с одного конца и установите защиту от перенапряжений там, где кабель проходит на открытом воздухе или рядом с частотно-регулируемыми приводами.

Сравнение: фланцевый преобразователь с диафрагмой, погружной зонд, барботер и радар для шлама и сточных вод

Мембрана заподлицо и погружной зонд оба измеряют гидростатический напор, но на иле и шламе монтаж заподлицо выигрывает по устойчивости к засорению, потому что измерительная поверхность чистая. Радар — самая сильная бесконтактная альтернатива, когда в резервуаре есть пена, пар или помехи от мешалки, которые выводят из строя контактные датчики, хотя радар испытывает трудности со стабильными слоями пены и требует тщательного выбора антенны. Прежде чем окончательно выбрать технологию, отправка технологических данных в WELK на рассмотрение — самый быстрый путь к обоснованному решению.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между передатчиком с мембраной заподлицо и обычным передатчиком давления? Передатчик с мембраной заподлицо имеет чувствительный элемент, установленный точно заподлицо с поверхностью технологического соединения, что исключает штуцер давления, сопло и импульсную линию обычного передатчика. Это устраняет мертвые зоны, где ил, шлам и вязкие среды могут оседать и засорять, ценой несколько меньшего максимального диапазона и большего технологического соединения.

Может ли передатчик уровня с мембраной заподлицо надежно измерять ил и шлам? Да. Плоская мембрана не дает твердым частицам образовывать мосты или уплотняться, поэтому ил, шлам, пульпа и кристаллизующиеся среды проходят над ней, не блокируя сигнал давления. Это стандартный гидростатический выбор для измерения уровня осадка сточных вод и промышленного шлама.

Какую точность можно ожидать от передатчика уровня с мембраной заподлицо? Промышленные версии обычно достигают 0,25-0,5% от полной шкалы, при этом 0,5% FS является обычным показателем в широком диапазоне температур. Высокоточные санитарные и коммерческие версии могут достигать 0,1-0,2% FS. Точность зависит от диапазона измерения, температурной стабильности и правильности монтажа.

Подходит ли преобразователь с заподлицо установленной мембраной для очистки CIP/SIP на пищевых предприятиях? Санитарный преобразователь с заподлицо установленной мембраной из 316L, отполированной до Ra ≤ 0,4 мкм, и с зажимным соединением 3A предназначен для циклов очистки на месте и стерилизации паром на месте при температуре до примерно 95 °C для CIP и кратковременных паровых воздействий 130-140 °C, без зазоров, в которых может задерживаться остаток.

Почему мой обычный преобразователь уровня постоянно забивается известковым шламом, и что мне следует использовать вместо него? Известковые и гипсовые шламы кристаллизуются и образуют корку на напорных патрубках и импульсных линиях. Замена на преобразователь с заподлицо установленной мембраной из Hastelloy или с мембраной, покрытой PTFE, устраняет карман, где образуется корка, обеспечивая непрерывное измерение уровня без засорения.

Получите бесплатную рекомендацию по преобразователю с заподлицо установленной мембраной

Каждый шлам, суспензия и паста уникальны, и преобразователь с заподлицо установленной мембраной надежен только тогда, когда материал мембраны, размер соединения, диапазон и вакуумная характеристика соответствуют вашему процессу. Отправьте инженерам WELK данные о вашей среде — плотность шлама, содержание твердых веществ по весу, температуру, давление, размеры резервуара и то, откачивается ли резервуар — и получите бесплатную рекомендацию по преобразователю с заподлицо установленной мембраной, подобранному для вашего применения. Электронная почта sales@level-meters.com или используйте форму запроса на сайте и включите детали вашего контрольного списка RFQ чтобы ничего не упустить. Все приборы изготавливаются и проходят испытания давлением в соответствии с документированным контролем качества процедуры перед отгрузкой, а также прототипы и оценка образцов могут быть организованы для квалификационных испытаний.