Измерение уровня жидкого азота: реальный пример из практики.

Жидкий азот — широко используемый промышленный газ, отличающийся чрезвычайно низкой температурой, высокой охлаждающей способностью и управляемостью. Жидкий азот имеет важное применение в различных отраслях промышленности, поэтому важно контролировать и регулировать его уровень. Наш уровнемер для резервуаров с жидким азотом — это устройство, используемое для контроля уровня жидкого азота в сверхнизкотемпературных ёмкостях (например, сосудах Дьюара).

Ищете сам датчик? Посмотрите на наши специальные предложения. Датчик уровня жидкого азота (криогенный уровнемер SI-LN2) На странице товара вы найдете технические характеристики, цены и сможете запросить коммерческое предложение.

Почему измерение уровня жидкого азота представляет собой сложную задачу?

Физические свойства жидкого азота создают множество проблем для мониторинга уровня жидкости:

• Во-первых, чрезвычайно низкие температуры могут привести к хрупкости обычных металлических материалов и выходу из строя электронных компонентов.
• Во-вторых, азотный туман, образующийся при испарении жидкого азота, может создавать помехи для оптических или акустических сигналов.
• Кроме того, изменения уровня жидкости сопровождаются резким фазовым переходом (разница в плотности между жидким азотом и газообразным азотом достигает 647 раз), что делает традиционные методы измерения, основанные на использовании одной среды, подверженными ошибкам.

Эти характеристики обуславливают необходимость в том, чтобы уровнемеры обладали устойчивостью к низким температурам, невосприимчивостью к помехам от фазовых переходов и высокой точностью измерения.

Пример из практики реального проекта

история проекта

Компания-поставщик сжиженного газа на Ближнем Востоке нуждалась в модернизации системы измерения уровня на 12 смонтированных на рамах резервуарах для хранения жидкого азота, используемых для производства медицинского кислорода и поддержки металлообработки. Каждый резервуар вмещал до 1,500 л жидкого азота при рабочем давлении 1.5 МПа. Заказчику требовалась непрерывная обратная связь по уровню для системы удаленного мониторинга, работающей на ПЛК + контур 4-20 мА.

Задача измерения

Резервуары уже находились в эксплуатации. Модернизация означала: отсутствие необходимости в резке труб, минимальное время простоя, устойчивость к температурам окружающей среды до 50°C (в условиях пустыни) и монтажный паз диаметром 300 мм для зонда. Заказчик также отклонил варианты с использованием радара из-за проблем с надежностью в средах с низким εr в прошлом.

Решение

Мы поставили емкостные датчики уровня SI-LN2 со следующими характеристиками:

• Рабочее давление: 1.5 МПа
• Выходное напряжение: 0-5 В (преобразуется в 4-20 мА с помощью преобразователя)
• Длина зонда: 300 мм
• Диапазон измерения: 0-250 мм
• Технологическое соединение: резьба M20 × 1.5
• Питание: 24 В постоянного тока
• Материал: зонд из нержавеющей стали 316L с изоляцией из ПТФЭ.

Установка:

Каждый датчик был установлен через существующий порт прибора. Простоев, за исключением кратковременной изоляции резервуара (≈20 мин), не потребовалось. Сигнальный кабель был проложен параллельно существующей проводке ПЛК.

Результаты

• Точность измерения: в пределах ±1.5% от полного диапазона.
• Отсутствие дрейфа после 8 месяцев непрерывной работы
• Система обнаружила переполнение в течение 4 секунд после срабатывания триггера.
• Отсутствие отказов, связанных с замерзанием, при интенсивном цикле заполнения в течение 12 часов.

Как измеряется уровень жидкого азота?

1. Метод емкости (диэлектрика)

Как показано на рисунке выше, в резервуар с жидким азотом вставлен металлический стержень. При этом металлический стержень служит одним полюсом конденсатора, а стенка резервуара – другим. Средой между двумя электродами являются жидкость и газ на поверхности жидкости. Из-за разницы диэлектрических проницаемостей жидкостей и газов при повышении уровня жидкости общая диэлектрическая проницаемость между двумя электродами соответственно увеличивается, и, следовательно, увеличивается емкость.

Напротив, при падении уровня жидкости общая диэлектрическая проницаемость уменьшается, а вместе с ней и ёмкость. Таким образом, уровнемер для резервуара с жидким азотом может измерять высоту уровня жидкости, измеряя изменение ёмкости между двумя электродами.

2. Метод перепада давления (гидростатический метод)

Датчики уровня жидкости, работающие по принципу перепада давления, определяют уровень жидкости, измеряя статическое давление, создаваемое столбом жидкого азота. Формула выглядит следующим образом: Высота уровня жидкости = Разница давлений ÷ (Плотность жидкого азота × Гравитационное ускорение).

В его основные компоненты входят два датчика давления: один установлен в нижней части контейнера (измеряет полное давление), а другой — в верхней (измеряет давление газовой фазы). Разница между ними представляет собой статическое давление, создаваемое столбом жидкости.

Поскольку плотность жидкого азота незначительно изменяется с температурой (0.808 г/см³ при -196℃, снижаясь до 0.76 г/см³ при -180℃), в высокоточные дифференциальные уровнемеры давления интегрируется датчик температуры для компенсации плотности.

Эти устройства подходят для больших резервуаров (более 100 л) с точностью измерения ±0.5%. Однако необходимо уделить внимание криогенной герметизации датчика — обычно для изоляции используется металлический сильфон, предотвращающий прямой контакт жидкого азота с электронными компонентами.

3. Поплавок / Магнитострикционный

Уровень жидкости в жидком азоте измеряется с помощью плавучего уровнемера, принцип его работы основан на принципе Архимеда. Внутри сосуда Дьюара подвешивается поплавок, изготовленный из низкотемпературного коррозионностойкого материала (например, нержавеющей стали 316 или сплава Монель). Плотность поплавка находится между плотностью жидкого азота (0.808 г/см³) и газообразного азота (0.00125 г/см³). При изменении уровня жидкости изменяется сила плавучести, действующая на поплавок, и это смещение передается на внешние весы через механизм магнитной связи.

Для адаптации к низким температурам в современных уровнемерах, использующих принцип плавучести, были внесены два ключевых улучшения: во-первых, поплавок имеет полую герметичную конструкцию, что предотвращает его растрескивание при -196°C; во-вторых, в передающем стержне используется композитный материал из ПТФЭ и металла для уменьшения погрешностей измерения, вызванных усадкой при низких температурах.

Этот тип уровнемера подходит для небольших сосудов Дьюара, обеспечивая точность измерения ±2%, но плавучесть поплавка требует периодической калибровки.

4. Вес / Тензодатчик

Баланс жидкого азота рассчитывается путем прямого измерения изменения веса всего резервуара с помощью высокоточного весового датчика.

Высокая точность (в пределах ±0.5%): позволяет напрямую измерять общую массу, не подверженную влиянию кипения, пузырьков или расслоения.

Полностью бесконтактный метод: не требуется установка зонда внутри контейнера, что сохраняет вакуумный изоляционный слой и поддерживает теплоизоляционные характеристики.

Высокая надежность: отсутствие движущихся частей, устойчивость к повреждениям и простота в обслуживании.

Измерение веса нетто/брутто: облегчает управление запасами.

Однако для этого требуется специализированный высокоточный датчик и прочная и стабильная опорная конструкция. Требования к установке высоки; фундамент резервуара необходимо модифицировать, чтобы обеспечить его ровность и отсутствие вибрационных помех. Он не может различать жидкую и газообразную фазы, предоставляя только общий объем, и не может напрямую указывать уровень жидкости.

Применимые сценарии: Сценарии с чрезвычайно высокими требованиями к точности и надежности (например, крупные биобанки, критически важные фармацевтические процессы и хранение ценных образцов), большие резервуары для хранения (>500 л) и случаи, когда повреждение изоляционной конструкции резервуара недопустимо.

5. Оптические уровнемеры

Лазерные уровнемеры измеряют уровень жидкости, излучая лазерный луч (обычно красный свет с длиной волны 650 нм) и используя отражательную способность поверхности жидкого азота. Когда лазерный луч попадает на поверхность жидкости, отраженный свет улавливается приемником, а расстояние рассчитывается с помощью принципа триангуляции. Волоконно-оптические уровнемеры, с другой стороны, вводят волоконно-оптический зонд в жидкий азот и используют резкое изменение показателя преломления на границе раздела жидкость-газ (показатель преломления жидкого азота 1.2, газообразного азота 1.00029) для определения изменения интенсивности света.

Преимуществом оптической технологии является ее устойчивость к электромагнитным помехам, что делает ее подходящей для медицинских или высокоточных лабораторных условий. Однако следует обратить внимание на два момента: во-первых, лазер должен проникать сквозь азотный туман, поэтому для усиления сигнала часто используется технология импульсной модуляции; во-вторых, волоконно-оптический зонд должен быть изготовлен из кварцевого материала (устойчивого к температурам до -200℃), чтобы избежать низкотемпературного охрупчивания и разрушения.

Применение измерителя уровня жидкого азота

Биологическая лаборатория: В области консервации клеток, заморозки спермы и эмбрионов резервуары с жидким азотом позволяют хранить образцы в течение длительного времени. Измеритель уровня жидкости точно контролирует количество жидкого азота, обеспечивая постоянное нахождение образца в подходящей низкотемпературной среде и предотвращая его повреждение из-за недостатка жидкого азота.

Например, в экспериментах с культурами клеток измеритель уровня жидкости отображает уровень жидкого азота в режиме реального времени. Это позволяет исследователям своевременно пополнять запас жидкого азота для поддержания жизнедеятельности клеток.

Промышленность: Жидкий азот необходим для охлаждения в производственных процессах химической и электронной промышленности. Малейшая неосторожность на этапе охлаждения может привести к производственным потерям и несчастным случаям. Поэтому мониторинг уровня жидкого азота в режиме реального времени имеет решающее значение для химических реакций и охлаждения металлов.

Исследования и испытания материалов для аэрокосмической отрасли: Материалы для аэрокосмической промышленности должны имитировать космическую среду для различных экспериментов на этапах исследований, разработки и испытаний. Исследователи могут использовать жидкий азот для создания низкотемпературной среды, близкой к космической. Жидкий азот Измерители уровня в резервуаре могут использоваться для мониторинга подача жидкого азота в низкотемпературные экспериментальные установки.

Технические преимущества

Одной из важных особенностей мониторинга уровня жидкости является возможность работы емкостных уровнемеров в режиме реального времени. Емкостный уровень Счетчики позволяют осуществлять непрерывное измерение уровня жидкости в резервуаре в режиме реального времени и быстро и точно передавать данные измерений оператору или менеджеру. Операторы могут своевременно отслеживать изменения уровня жидкости в резервуаре на основе этих данных в режиме реального времени, прогнозировать тенденции изменения уровня жидкости заранее и, таким образом, разрабатывать и корректировать научно обоснованные стратегии контроля уровня жидкости.

Чтобы адаптироваться к различным сложным промышленным условиям, емкостные уровнемеры изготавливаются и проектируются из высококачественной нержавеющей стали. Нержавеющая сталь обладает превосходной коррозионной стойкостью, износостойкостью и высокой прочностью, устойчива к воздействию различных химических веществ и способна стабильно работать в течение длительного времени даже в суровых условиях эксплуатации.

Независимо от того, используются ли они во влажных прибрежных районах, в химических цехах с высокой температурой и высоким давлением или в резервуарах для хранения коррозионных сред, емкостные измерители уровня из нержавеющей стали способны сохранять хорошую производительность и обеспечивать надежную защиту при измерении уровня жидкости.

Кроме того, ёмкостный уровнемер может быть изготовлен по индивидуальному заказу по длине и монтажному интерфейсу для использования в резервуарах различных размеров. Отсутствие подвижных частей и, по сути, отсутствие необходимости в ежедневном обслуживании экономят электроэнергию и деньги клиентов.

Больше решений для измерения уровня

• Магнитное измерение уровня: индикаторы, передатчики, переключатели или датчики
• Уровнемер типа GWR: полное руководство
• Различные решения для измерения уровня жидкости
• Датчики уровня поплавкового типа для непрерывного измерения уровня
• Полное руководство по системам измерения уровня в бункере
• Подробное руководство по различным типам датчиков уровня
• Измерители уровня битума и асфальта: давайте узнаем о них больше
• Руководство по датчикам уровня сухих материалов-сыпучих материалов-порошков
• Роль гидростатических датчиков уровня в процессе мониторинга уровня воды в скважинах
• Типичные области применения и преимущества ультразвукового датчика уровня
• Разница между радарными и ультразвуковыми уровнемерами
• Промышленные ультразвуковые уровнемеры | Бесконтактное измерение уровня
• Рекомендуемые 5 типов волноводных радарных уровнемеров
• Руководство по установке и устранению неполадок волноводного радарного уровнемера
• Гидростатическое измерение уровня – измерение уровня жидкости с помощью датчиков давления
• Разница между радаром и волноводным радарным уровнемером

Резюме

Емкостный уровнемер Sino-Inst отличается простой конструкцией, отсутствием подвижных частей и быстрым динамическим откликом. Он широко применяется для измерения уровня жидкостей в суровых условиях, таких как высокие и низкие температуры, а также сильная коррозия. Нашу продукцию приобрели клиенты из Тайваня, Китая, стран Ближнего Востока, Европы и США.

Наш емкостный уровнемер поддерживает индивидуальные измерения давления, температуры, длины зонда и способа установки, чтобы создать продукт, наиболее подходящий для каждого клиента. Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами.